固態(tài)煙霧

蒙哥

夏天來(lái)了，天氣越來(lái)越熱，然而，就在我們抱怨這惱人的陽(yáng)光時(shí)，對(duì)于那些極地科考的科學(xué)家、攀登雪山的探險(xiǎn)者、遨游太空的宇航員來(lái)說(shuō)，寒冷仍然伴隨著他們左右。不妨回憶一下，在陰冷的冬日里，氣溫降到0℃以下，我們裹著羽絨服，戴著手套、帽子，仍然會(huì)禁不住地瑟瑟發(fā)抖。而這些勇敢的冒險(xiǎn)家們所要面對(duì)的，是更低的氣溫、更嚴(yán)酷的環(huán)境，他們又該如何在嚴(yán)寒中保持溫暖呢？

最近，國(guó)外一家科技公司研發(fā)了一款神奇的防寒外套，這款外套的厚度只有3毫米，重量也只有大約1千克，但是保暖效果卻可以媲美40毫米厚的羽絨衣，可以完美地解決寒冷地區(qū)人們的保暖問(wèn)題，甚至可以幫助宇航員在太空中抵御嚴(yán)寒。而這款防寒外套的神奇之處，就是它所采用的“氣凝膠材料”。那么，什么是氣凝膠，氣凝膠又是怎樣實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)保暖能力的呢？

衣服切斷熱量傳遞的3種途徑

在此之前，我們必須先對(duì)溫暖和寒冷的感覺(jué)有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。我們之所以能夠感受到溫暖或寒冷，是由于我們的身體和外界環(huán)境之間發(fā)生了熱量的傳遞，而在自然界中，熱量的傳遞有3種方式，熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們端起一杯熱水，感覺(jué)杯子很燙，是由于杯子和手直接接觸發(fā)生了熱傳導(dǎo)；當(dāng)我們舒服地曬著太陽(yáng)，感覺(jué)渾身暖洋洋的，這歸因于太陽(yáng)向我們輸送的熱輻射；而當(dāng)空調(diào)的暖風(fēng)不斷給房間加熱的時(shí)候，則是空氣的熱對(duì)流給我們帶來(lái)了熱量。當(dāng)環(huán)境向我們的身體傳遞熱量時(shí)，我們就會(huì)感到溫暖，而當(dāng)我們身上的熱量向環(huán)境中流失時(shí)，我們就會(huì)感到寒冷。我們的身體是個(gè)不斷發(fā)熱的恒溫體，防寒外套的使命就是阻礙我們的身體向環(huán)境釋放熱量。

我們冬天穿的棉衣或者羽絨服，摸起來(lái)都是柔軟蓬松的，用力一捏就會(huì)明顯縮小。這是因?yàn)樗鼈儍?nèi)部填充的棉花或羽絨，都是由許許多多極細(xì)的棉花纖維或者羽絨纖維搭接堆積而成的，它們的結(jié)構(gòu)都是疏松多孔的，其中吸收了很大比例的空氣。而空氣本身就是一種隔熱能力非常強(qiáng)的物質(zhì)，家里用的雙層玻璃，或是暖水瓶的雙層內(nèi)膽，都是利用一層被封裝起來(lái)的空氣來(lái)隔熱的。在棉衣或者羽絨服中，沿著曲折蜿蜒的纖維，熱傳導(dǎo)是緩慢而低效的；相互交織的纖維層層疊疊，熱輻射被不斷地反射，難以通過(guò)；而蓬松復(fù)雜的結(jié)構(gòu)還把內(nèi)部的空氣分割成了無(wú)數(shù)細(xì)小的氣孔，空氣的通過(guò)和熱對(duì)流也被抑制了。熱量傳遞的3種途徑都被切斷，這就是棉衣和羽絨服保暖的原理。蓬松的毛衣或羊絨衫的保暖能力也是源于類似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

相反的，當(dāng)棉衣或羽絨服被雨水或是雪花打濕的時(shí)候，纖維結(jié)構(gòu)被水壓縮，變得不再蓬松，內(nèi)部吸收的空氣也被水代替了。而水的傳熱能力很強(qiáng)，因此打濕的衣服不再保暖，而是讓我們覺(jué)得格外寒冷。

氣凝膠的保暖能力為何更強(qiáng)

那么，和棉花、羽絨相比，氣凝膠的隔熱能力又是怎樣的？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們還需要明白凝膠的概念。

其實(shí)，凝膠是一種很常見(jiàn)的物質(zhì)，很多人喜歡吃的果凍，就是一種典型的凝膠，在加熱的果汁中加入一些食用膠，不斷攪拌混合均勻，再慢慢冷卻，讓食用膠凝固，就制成了簡(jiǎn)單的果凍。工業(yè)生產(chǎn)中，凝膠大多也都是從溶液變化而成，溶液中的膠體顆?；蚴歉叻肿釉谝欢l件下互相連接，形成一種與棉花、羽絨類似的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而溶劑填滿這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的孔隙，就形成了凝膠。如果溶劑是水，那么這種凝膠被稱為水凝膠，如果溶劑是空氣，那么這種凝膠就是氣凝膠。

氣凝膠中的絕大部分都是空氣，目前最先進(jìn)的氣凝膠中的空氣含量超過(guò)99.8%，因此它還被稱為空氣膠、固態(tài)煙霧或是藍(lán)煙。顯然，氣凝膠中的空氣含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于棉花或者羽絨，因此隔熱能力更強(qiáng)。另一方面，超高的空氣含量也使相同體積的氣凝膠重量比棉花和羽絨輕得多，這樣就可以制成更輕更薄更方便的防寒外套。此外，氣凝膠中的纖維比棉花纖維和羽絨纖維更細(xì)更有韌性，纖維之間的孔隙也更小，這些不但進(jìn)一步增強(qiáng)了氣凝膠的隔熱能力，還提高了它的彈性。經(jīng)過(guò)特殊工藝處理的氣凝膠還可以防水，全面保護(hù)我們的身體。

所以說(shuō)，氣凝膠和棉花或者羽絨的保暖原理基本相同，只是其中的空氣含量更高，纖維更細(xì)，所以保暖能力更強(qiáng)，制成防寒衣物后也更輕便、更保暖。先進(jìn)的氣凝膠防寒外套在-196℃的液氮環(huán)境下，仍然能夠保持內(nèi)部溫度在30℃以上，這足以保護(hù)宇航員在太空極寒條件下順利執(zhí)行任務(wù)。

氣凝膠的神奇遠(yuǎn)不止這些

然而，氣凝膠能做的遠(yuǎn)不止于此。早在1931年，美國(guó)就有科學(xué)家成功地通過(guò)水解水玻璃的方法制備了二氧化硅氣凝膠。可笑的是，這位開(kāi)創(chuàng)了歷史的科學(xué)家居然是因?yàn)楹团笥汛蛸€才巧合地發(fā)明了氣凝膠。這之后的近百年來(lái)，隨著人們的探索和鉆研，氣凝膠的家族不斷壯大，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了碳?xì)饽z、硫氣凝膠、金屬氣凝膠和氧化物氣凝膠。同時(shí)，氣凝膠中的膠體纖維越來(lái)越細(xì)，其中的氣體含量越來(lái)越高，性能也向更低密度、更強(qiáng)韌性、更耐高溫的方向不斷發(fā)展。

時(shí)至今日，氣凝膠正在各行各業(yè)發(fā)揮著它們的神奇能力。硅氣凝膠可以承受1 200℃的高溫，是出色的隔熱材料。碳?xì)饽z是世界上最輕的物質(zhì)，看似弱不禁風(fēng)，實(shí)則堅(jiān)固耐用，能夠制成防彈衣或者防彈裝甲，保護(hù)我們的安全。此外，氣凝膠中的孔隙還能夠吸收水中和空氣中的污染物，清除海上的石油泄漏，凈化空氣中的霧霾顆粒，為環(huán)境保護(hù)和人類健康貢獻(xiàn)力量。此時(shí)此刻，還有更多的氣凝膠產(chǎn)品正在宇宙空間站上，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)器械上，在工業(yè)化生產(chǎn)線上，也在我們身邊不起眼的角落里，悄悄地為人類造福。這些神奇的氣凝膠背后，是無(wú)數(shù)科研工作者辛勤的汗水和不懈的鉆研，其中當(dāng)然也少不了中國(guó)科學(xué)家的貢獻(xiàn)。

同學(xué)們可以想象一下，十年，或者二十年后，當(dāng)我們的消防隊(duì)員脫下沉重的耐火服，換上由你們開(kāi)發(fā)的輕薄耐熱的氣凝膠戰(zhàn)斗服，在火場(chǎng)中奔走；當(dāng)我們的邊防戰(zhàn)士換下被雨雪打濕的棉鞋，換上由你們?cè)O(shè)計(jì)的保暖防水又透氣的氣凝膠防寒靴，在嚴(yán)寒中駐守；當(dāng)我們的宇航員脫下臃腫的宇航服，穿上由你們制作的貼身便捷的氣凝膠太空服，在太空中遨游，這將會(huì)是一番多么美好的景象！而未來(lái)的未來(lái)，氣凝膠材料還有哪些神奇的應(yīng)用，就等著你們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)了。