神奇的納米保溫材料

張牧文

同學們，在“十四五”期間，我國生態文明建設進入了以降碳為重點的戰略方向。這意味著，2021—2025年，我們將努力降低能源消耗和碳排放。

對于保溫材料行業來說，這既是挑戰，也是機遇。傳統的保溫材料，比如玻璃纖維、巖棉、泡沫玻璃、泡沫陶瓷等，雖然具有一定的保溫性能，也能在一定程度上滿足節能要求，但是在“雙碳”的目標下，能耗需要進一步降低，保溫性能也需要進一步提升。在這樣的背景下，性能優異的納米保溫材料，成了重要的升級替代產品。

同學們對納米材料或許已經有了一些了解，那么，你們知道為什么納米材料的保溫性能這么好嗎？我們以納米氣凝膠材料為例，一起來探究一下吧！

獲得多項世界紀錄

氣凝膠，具有納米多孔網狀結構，它的物理形態是固體，但是看起來像氣體，輕若薄霧，泛著藍色，又被稱為“藍煙”。氣凝膠材料獲得多項吉尼斯世界紀錄，在光學、熱學、電學等領域顯示出許多獨特的性能，被稱為“改變世界的神奇材料”。

熱量的傳遞

為了弄清楚氣凝膠材料的保溫原理，我們首先要知道熱量是如何傳遞的。同學們在五年級上冊第二單元《熱傳遞》中了解到，熱量有3種基本傳遞方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。其中，熱傳導通常通過固體介質，熱量從高溫部分向低溫部分傳遞;熱對流通常通過氣體或液體介質;熱輻射通常不需要任何介質。那么，請同學們先仔細觀察氣凝膠材料的微觀結構，再思考：對于氣凝膠材料而言，這3種熱量傳遞方式分別是由哪一部分完成的呢？

納米結構隔熱好

熱傳導主要由氣凝膠材料中的固體部分來完成。同學們在圖片中看到的一個個小圓球就是一個個氣凝膠固體顆粒，這些顆粒非常小，達到納米級別。氣凝膠具有極高的孔隙率，意味著氣凝膠材料中有非常多的氣孔。氣孔周圍的氣凝膠顆粒連接在一起，就像一堵堵墻壁，可以稱它為“氣孔壁”。熱傳導發生時，熱量就是沿著氣孔壁傳遞的。氣孔壁越長，熱量需要走過的路徑就越長，便越難傳播。由于氣凝膠材料中有著近于無窮多的納米孔，氣孔壁也被大大拖長，從而有效降低了熱傳導的效率。

熱對流主要由氣凝膠材料氣孔中的氣體完成。同學們在五年級上冊第六課《熱對流》中做過這樣一個實驗：用玻璃罩倒扣住點燃的線香，觀察線香冒出的煙是怎樣飄動的。通過觀察實驗現象，我們了解到：熱對流時，空氣是循環流動的。但是，空氣的這種自由活動是有條件的，它需要足夠的空間，這個空間在70 納米左右。氣凝膠材料中的氣孔大小達不到這個條件，因此空氣無法自由活動，就不會發生空氣對流。這樣一來，氣凝膠的熱對流效率就降低了。

應用領域廣泛

熱輻射的傳遞不需要任何介質。但是氣凝膠材料內有很多氣孔壁，每一面氣孔壁都充當了一面“遮熱板”，它們會將其他部位輻射過來的熱量進行反射，形成對熱輻射的層層障礙。熱量在氣凝膠內部發生無數次反射，因而降低了熱輻射的效率。不過，在400℃以上的高溫下使用時，仍然需要加入遮光劑來增強氣凝膠對高溫紅外線輻射的抵抗。

同學們，這下你們明白氣凝膠材料為何被稱為超級絕熱材料了吧？在重重保障之下，它的隔熱性能達到傳統保溫材

料的3～5倍，節能效果提升50%以上。除此之外，氣凝膠材料還有許多優點，比如它的使用壽命是常規材料的8～10倍，使用厚度只有普通材料的20%～50%，非常節省空間。氣凝膠材料不僅隔熱，而且防水、抗滲、抗震，維護成本低，更加可靠。得益于納米材料的諸多優點，它在航天航空、建筑、服裝等領域都有廣闊的應用前景。不過，目前氣凝膠材料制作成本較高，限制了它的應用。隨著氣凝膠制備技術的進一步發展，相信氣凝膠材料將獲得廣泛的應用，為節能減排和社會可持續發展作出更大的貢獻。

科學小實驗——打不濕的“衣服”

實驗材料：

鐵勺、蠟燭、火柴、玻璃碗、水。

實驗過程：

1.在勺子上滴幾滴水，輕輕晃動，觀察水在勺子中的情況。

2.用火柴點燃蠟燭，手握住勺子柄靠后的部分，靠近火苗，使火焰漸漸熏黑鐵勺。注意：不要讓蠟燭熄滅，也不要燙到自己的手。

3.移動勺子，讓勺子頭的內部全部被熏黑。

4.在熏黑的勺子上滴幾滴水，輕輕晃動，觀察此時的現象是否與之前相同。

實驗現象：

勺子沒有被熏黑之前，輕輕晃動，水會附著在勺子上。勺子被熏黑后，輕輕晃動，水不會附著在勺子上，勺子就像穿上了一層打不濕的“衣服”。

實驗原理：

勺子打不濕的現象被稱為“荷葉效應”。荷葉表面不會被雨水打濕，是因為荷葉表面有一層茸毛和一些微小蠟質顆粒。這些小顆粒都是納米級的，非常微小。荷葉的這種“納米技術”阻止了水滴向其他方向蔓延。當蠟燭火焰接觸到勺子時，火焰的溫度降低，導致蠟沒有充分燃燒，會產生炭黑。炭黑附著在勺子上面，形成了一層疏水的納米材料，達到了和荷葉表面蠟質顆粒一樣的效果。因此，將水滴在熏黑的勺子上，水滴會像珍珠一樣滾動。