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气凝胶：能改变世界的多功能材料******

　　展览会上展出的具有纳米多孔结构的新型材料气凝胶服装

中新社 任海霞摄

　　【走近超材料①】

　　编者按超材料具有常规材料不具备的超常物理性质，是国际上重点关注的战略前沿领域。我国也高度重视超材料技术的发展，国家自然科学基金、新材料重大专项等都对超材料研究予以立项支持。近年来，越来越多的科研人员对超材料产生兴趣，使超材料的设计开发进入了一个崭新的天地。据此，本版推出“走近超材料”系列报道，展示超材料技术创新发展与产业化应用情况。

　　气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、使用温度范围广、寿命长。近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。

　　气凝胶是一种超材料，它非常轻，即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯。目前，各种各样的气凝胶被开发出来，它们或柔软或坚硬，或导电或绝缘，应用领域广泛。1月10日，中铁一局集团有限公司表示，河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收。蒸汽管网对防腐、保温要求极高，其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人汪惺说，纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料的2—5倍，可极大提高施工质量和施工效率，降低施工成本。

　　作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料，气凝胶可谓是材料领域的“隔热王者”，并已在航天、石化等领域应用。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶。在我国提出“双碳”目标后，随着技术的不断创新，气凝胶的应用场景也在进一步扩大。

　　具有耐高温、高弹性、强吸附等特性

　　气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料，所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数，甚至可以达到99％以上，具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞、低密度等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、高弹性、强吸附、防水效果好、使用温度范围广、寿命长。

　　“可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版。”气凝胶领域技术专家王贝尔说，其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米，大于气凝胶孔隙的直径，因此空气在气凝胶上流动效率极低，加上气凝胶本身比热容很高，热辐射传递能降到最低，因而具有很好的隔热性能。

　　气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中，无机气凝胶是以无机物为主体，包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则是以有机物为主体，主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势，实现气凝胶特殊的功能化。

　　《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一，并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。王贝尔说，气凝胶是《科学》杂志评选出的十大新材料中，唯一一个已大规模落地于实际商业场景的材料。

　　气凝胶的制备工艺主要分为两步，即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶，再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。

　　有数据显示，在气凝胶行业的成本结构中，制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说，降低气凝胶成本是行业正在努力的一个方向，目前主要路径之一是自动化产线的落地，而成本降低将会打开更多的应用场景。

　　生物质基气凝胶成研究热点

　　据中国石油管道科技研究中心评估，以350摄氏度蒸汽管道的保温应用为例，相比于传统保温材料，气凝胶的保温层厚度可减少2/3，节约能耗40%以上，每公里管道每年可减少二氧化碳排放125吨。

　　数据显示，2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量的56%，另有18%用于工业隔热、9%用于建筑建造、8%用于交通运输。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出，在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料，可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上。随着新能源汽车产业等的发展，气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛，需求量有望持续提升。

　　气凝胶发展迅速。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说，近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶。值得一提的是，生物质原料来源广泛、成本低廉、碳源丰富，利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济、可持续的生产方式，因此目前生物质基气凝胶也成为研究的热点。

　　比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶，该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度，都表现出不随温度变化的超弹性、优异的抗疲劳性等，在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力。且制备中所使用的材料均为生物质原料，有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题，是传统不可再生气凝胶的理想替代品。

　　中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质，将无机、有机气凝胶与木材骨架基体复合，首创了第三代木质纤维素气凝胶。通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控，将纤维素比表面积提高了7个数量级，对油污吸附能力高达自身质量的75—300倍，体积用量缩减50%—75%，可降解、可再生。

　　气凝胶发展驶入“快车道”

　　气凝胶的发展得到国家政策的持续支持。2014年和2015年，国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》，开始对气凝胶进行初步推广应用；2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业；同年9月，第一个气凝胶方面的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布；2020年，《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用；2021年，《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出，推动气凝胶等新型材料研发应用。

　　随着气凝胶应用技术不断成熟，气凝胶发展进入“快车道”。不过，李维科说，目前气凝胶研究仍存在一些问题，比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快，与纤维等增强基体材料的黏结性较差；生产过程中会用到许多有机溶剂，容易造成环境污染；气凝胶难以回收利用，不利于可持续发展等。

　　此外，气凝胶生产成本高昂，产品价格昂贵。《2022气凝胶行业研究报告》指出，气凝胶的生产成本主要集中在原材料硅源、设备折旧及能耗方面。有效降低成本既依赖于制备工艺的突破，也需要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。

　　气凝胶是罕见的可以同时满足防火、防水、隔热、隔音等多种需求的材料。李维科说，气凝胶的发展和应用仍然处于不断探索的过程，未来的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶、钙钛矿结构气凝胶、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。（记者 李 禾）

三体母星半人马座阿尔法星 为何受到科幻题材作品热捧？******

　　“三体”运动有没有解？这是科幻小说《三体》一开始就引入思考的问题。随着电视剧《三体》剧情推进，将展示一个距离地球4光年外有高等智慧生命存在的星系，一颗经历了无数次毁灭与重生、在三颗无规律运动“太阳”的包围下艰难存在的星球，它被称为“三体星”。

　　现实世界的“三体”真实存在，并很早就为人类所熟悉，那就是距离我们最近的恒星系统——半人马座阿尔法星，这不仅是刘慈欣《三体》的原型，也是卡梅隆《阿凡达》中巨大气态行星“波吕斐摩斯”及其炎热的卫星“潘多拉”的灵感来源。此外，在《流浪地球》中，地球“流浪”的目的地，也是半人马座。

　　在不少文学、影视和其他文艺形式幻想中，半人马座阿尔法星都是“宠儿”一般的存在，它有着怎样的魅力和光环，让这么多顶级的作者倾慕于它？

　　三颗“太阳”包围的世界

　　距太阳系最近的恒星系统

　　半人马座阿尔法星是一个三星系统，也是距离太阳最近的恒星系统。科学家们将这三颗星分别命名为半人马座阿尔法星A、半人马座阿尔法星B以及比邻星。比邻星，顾名思义，就是离我们最近的一颗恒星，距离太阳系4.22光年。

　　在这个三星系统里的另外两颗恒星，距离我们则相对较远。在《阿凡达》中，故事发生的“波吕斐摩斯”星就是围绕半人马座阿尔法星A运转，是一颗巨型气体行星，类似于太阳系的木星。而“潘多拉”则是围绕“波吕斐摩斯”的卫星。

　　但是早在2008年，国外科学家就通过观测，排除了半人马座阿尔法星附近有类似木星或土星大小的行星存在的可能性。同时，也与《三体》中描述的无规律三星运行不同，半人马座阿尔法星的三颗恒星，是一个能够预测轨迹的相对简单的系统。

　　为何幻想题材总是把目光聚焦于此，这可能和我们对这个“邻居”的密切研究有关。因为离得近，获得的科学信息就显得更加可靠。早期的天文研究就发现，半人马座阿尔法星极有可能孕育生命。

　　因此，带着对地外文明的渴求，越来越多的科学研究将目光投于此星系。在2016年，科学家们在比邻星的周围发现了一颗类地行星——比邻星b，它处于恒星系统的宜居带，大小与地球相似，上面极有可能拥有液态水，一些乐观的科学家们甚至还怀疑上面有生命存在。

　　比邻星b的发现可以说是振奋人心的突破性发现，因为它距离我们相对很近。这意味着在可预见的未来，我们是有能力发射探测器前往这颗星球的，人类可以勘测这颗星球表面是否有液态水甚至生命的存在。而比邻星自身也是一颗相对稳定的“太阳”，作为一颗红矮星，它正处于“太阳”的青年时期，在没有意外的情况下其寿命要大于太阳。

　　霍金曾提“突破摄星”计划

　　有望20年飞抵比邻星

　　对于比邻星的探索，人类早已不只停留在理论。尤其当它离我们相对其他星系更近，在要“凑过去”看一看的好奇心驱使下，让我们的科学不断前进。

　　2016年4月，科学家霍金宣布启动一项名为“突破摄星”的星际计划，他同时也在微博上和网友进行了交流，而这项计划，正是通过发射宇宙探测器冲出太阳系，将人类的视野带往离我们最近的半人马座阿尔法星。

　　这个计划一经公布，令全球民众感到振奋。但就目前最新消息来看，“突破摄星”依然还停留在理论研究阶段，在工程实现上，还存在很多风险因素。

　　简单来说，“突破摄星”计划，是利用“纳米飞行器”，在短短几分钟内加速到光速的五分之一，即每秒飞行6万公里。这样，只需要二三十年的时间，人类飞行器就能到达比邻星。但是在此以前，人类历史上最快的飞行器，每秒大约只能飞行20公里。

　　如何让“纳米飞行器”升空？如何让它以光速的五分之一持续飞行？又如何保证在漫长的20年星际旅途中规避太空风险？这些问题在理论上已得到突破，但在现实工程领域，还有漫长的道路要走。

　　目前，有消息称，科学家计划在2060年实现这一计划，真正冲出太阳系。

　　华西都市报-封面新闻记者 徐语杨

　　(《华西都市报》 2023年01月19日  A16)

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）