世界上最轻的固体——气凝胶

一块质量为2克的气凝胶支撑着

一块质量为2.5千克的砖头

在吉尼斯世界纪录中，最轻的固体是气凝胶。2021年，气凝胶被国际知名期刊《科学》列入“改变世界的10种新材料”，并位居榜首。气凝胶是什么？为什么这么轻？它又将如何改变世界呢？

文|黄诗愉 王国强

黄诗愉，中国科协创新战略研究院助理研究员。

王国强，中国科协创新战略研究院研究员。

01.

在打赌中诞生的气凝胶

在介绍气凝胶前，先说说凝胶。我们吃的果冻、肉皮冻都是凝胶。凝胶的结构像一张三维的“固体网”，网眼里填满了液体。1931年，美国科学家塞缪尔·斯蒂芬斯·基斯特勒和同事查尔斯·勒尼德打赌：勒尼德觉得，凝胶能保持形状全靠里面的液体；但基斯特勒认为，关键是凝胶里的固体骨架。为赢得赌局，基斯特勒打算把凝胶里的液体抽干，只留下固体骨架。他使用硅酸钠为原料，经复杂流程制备出液体成分为乙醇的醇凝胶，把它放进高温高压的容器中，让乙醇变成超临界流体，再慢慢降压，让乙醇一点点变成气体跑掉。就这样，人类历史上第一块气凝胶诞生了！它的骨架里几乎全是空气，密度低得离谱。基斯特勒给它取名“aerogel”——希腊语中“aero”是空气，“gel”是凝胶，合起来就是“空气凝胶”。

02.

被冷落的气凝胶

1931—1935年，基斯特勒在美国伊利诺伊大学继续开展气凝胶研究。其间，他研究过二氧化硅气凝胶的热导率，也探索了多种氧化物气凝胶的催化性能。20世纪40年代，基斯特勒与美国跨国农业公司孟山都签订了二氧化硅气凝胶的生产许可协议。孟山都在马萨诸塞州埃弗雷特市建立工厂，生产、销售气凝胶产品。这些气凝胶主要用作化妆品和牙膏的添加剂、触变剂，同时也用于冰箱和制氧设备的隔热材料。孟山都的产品主要以二氧化硅为原料，但基斯特勒还尝试用金属氧化物、有机物等材料制备气凝胶。此后，基斯特勒将研究重心转向其他领域，气凝胶研究几乎停滞。随着市场上出现更廉价的替代品，气凝胶的生产随之停止，逐渐淡出了人们的视野。

03.

气凝胶制备工艺的重大突破

20世纪60年代，法国里昂大学的斯坦尼斯拉斯·泰希纳教授领导的科研团队为完成科研任务需要制备一批气凝胶，泰希纳将这个工作交给了研究生热拉尔·尼古拉翁。尼古拉翁起初打算按基斯特勒的方法制备，但很快发现该方法效率太低、耗时太久，可能耽误他顺利毕业。于是，他开始尝试新方法。最终，他发现使用四甲氧基硅烷替代硅酸钠，将其在甲醇溶液中水解，一步即可制得醇凝胶。这种方法不仅效率高，还避开了基斯特勒方法的一些弊端。1968年，尼古拉翁和泰希纳正式公布了他们的新方法，气凝胶开始重新走入大众视野。

用四甲氧基硅烷替代

传统硅酸钠制备醇凝胶

04.

科研的功臣

20世纪70年代之前，宇宙射线研究面临一个关键瓶颈：传统的气体和液体切伦科夫探测器无法覆盖特定能区段的粒子鉴别。气体折射率太低，只能探测极高能粒子；液体折射率太高，无法区分中高能粒子。因此，需要一种折射率适中的材料。1972年，法国萨克雷核研究中心的米歇尔·康坦领导的科研团队在查阅资料时偶然发现，气凝胶恰好满足了折射率适中的要求。此后，康坦团队与泰希纳团队取得联系并共同研究，于1974年联合发表论文《二氧化硅气凝胶用作切伦科夫辐射体》，开启了气凝胶在高能物理领域的应用先河。此后，气凝胶在各领域的应用愈发频繁。1985年，首届气凝胶国际研讨会在联邦德国的维尔茨堡大学举办。1997年，气凝胶作为隔热材料被用于“探路者”号火星探测器。1999年，气凝胶作为高速尘埃颗粒的减速与捕获介质，搭载“星尘”号探测器进入太空捕捉彗星尾部尘埃，并于2006年成功完成任务，为人类首次带回彗星尘埃样本。

05.

气凝胶的超能力与应用

保温隔热

热传递的方式主要有3种：热传导、热对流和热辐射。热传导是指热量沿物体本身的分子或原子振动传递。由于气凝胶的固体骨架十分纤细，这种极细的结构会导致热传导中出现“边界散射”效应，使热量难以顺着固体网络传导。热对流是指流体流动带来的热量传递。气凝胶的固体骨架极其微小且复杂，严重限制了内部气体的流动，极大地抑制了热对流。热辐射是指物体以电磁波形式对外辐射能量。由于气凝胶内部存在大量固体骨架，电磁波在向外传播时会经历多次反射和折射，每次反射和折射都会损耗部分能量，最终能穿透气凝胶的辐射热量微乎其微。上述性质使气凝胶具有良好的隔热保温性能。在航空航天领域，航天器对隔热要求极高，普遍采用气凝胶作为隔热材料。例如，我国的长征五号运载火箭、祝融号火星车、天舟一号货运飞船都采用气凝胶作为隔热材料。在新能源汽车的动力电池中，气凝胶可作为隔热板，防止热失控蔓延，保护电池安全。在建筑保温材料和高端御寒服装中，也能见到气凝胶的身影。

气凝胶拥有强大的隔热能力

环境保护

气凝胶具有高比表面积和可调控的孔径结构，这使它具有高吸附性。对气凝胶的固态部分进行改造，可使其定向吸附特定物质。例如，对一些种类的气凝胶进行疏水改造，可使其对油类有超高亲和力，同时对水排斥。这种气凝胶投放到被漏油污染的海面，可吸附数十倍于自身质量的油污。由于气凝胶密度极低，可长期停留在油膜位置，不会沉入水底；吸附大量油污后，其密度依旧低于海水，便于打捞回收。吸附油污的气凝胶经挤压即可排出油污，可重复使用多次。针对重金属离子这类水溶性污染物，可通过化学反应在气凝胶上接枝羧基、氨基、羟基等亲水基团，让气凝胶吸附溶解于水中的金属离子。吸附饱和后，通过物理或化学手段使其恢复活性，重复利用。

医疗健康

胶囊、片剂等传统药物剂型普遍存在生物利用度低的缺陷。一些气凝胶具有孔径可调控、良好的生物相容性和可降解性等独特优势，可作为新一代药物载体。例如，纯二氧化硅气凝胶中的药物以无定形而非结晶态存在于气凝胶的孔隙中，可大幅提高溶解速率。酮洛芬从气凝胶中释放50%仅需5分钟，而纯结晶药物120分钟才释放45%。二氧化硅—明胶复合气凝胶则可通过改变明胶含量，精准调节药物释放速度。

06.

气凝胶的未来

目前，科学家对气凝胶的研究已十分深入，气凝胶的各种新性能正在被逐渐开发。例如：具有形状记忆功能的高分子气凝胶，融合气凝胶轻质多孔、高孔隙率、低热导率与形状记忆聚合物刺激响应特性，正成为航空航天、智能电子等领域的关键智能材料；摩擦电气凝胶结合了气凝胶结构与摩擦纳米发电机技术，利用人体自身的微小运动产生电能，在智慧医疗、柔性交互等领域具有广阔的应用前景。未来，气凝胶有望成为我们生活里的“常客”。

*本文刊登于《科学画报》2026年第7期，更多相关内容欢迎订阅。

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