潮新闻 记者 王雨红 通讯员 查蒙 陈珲夏
发展新材料产业是加快形成新质生产力、增强发展新动能的重要途径，对推动传统产业升级、培育新兴产业具有重要意义。气凝胶作为一种新型的高分子材料，拥有低导热系数、低密度、低介电常数等多项优异特性，在航天航空、建筑、电子、新能源汽车电池等多个领域有着广泛且前景广阔的应用，是各个国家争相深入研究的对象。
不同金属氧化物制成的气凝胶颜色不同。图为高超和团队成员一同研发的数种气凝胶，压在一根狗尾巴草上。受访者供图
浙江大学杭州国际科创中心一间实验室里，一个神奇的实验正在上演——
2000℃高温下，两块经过特殊处理的不锈钢上下反复挤压一块透明物体。2万次重复下，对抗着270千克左右压力的不到100毫克的物体，每次都能重新“支棱”起来，恢复到原来形状。
这块被“极限拉练”的物体叫气凝胶，是目前世界上最轻的材料之一，素有“凝固的烟”之称，还拥有耐高温、高弹、强吸附等特性。
前不久，浙江大学求是特聘教授、博士生导师高超和团队把气凝胶的隔热能力和弹性再次提升。全新的制备方法，不仅打破气凝胶无法规模化应用等瓶颈，还将成本降至原来的十分之一。这种极端环境下的热防护技术，意味着我国新材料领域又一关键技术实现了突破，为全球深空探测、核能开发等重大工程提供关键材料支撑。
这一研究成果前不久在《科学》杂志发表。有国际专家评价，这是实现气凝胶大规模制备的创造性尝试，有助于促进气凝胶低导热复合材料的工业化应用。
看似弱不禁风的“身板”，为何能挺起产业发展“硬骨头”？研发团队又如何一次次突破极限？
团队研发的气凝胶在2000℃高温、约270千克压力下做测试。受访者供图
寻根问祖，竟是果冻的“亲戚”
偌大的实验室里，10多台设备一字排开，分别负责对气凝胶的隔热、强度、柔性等不同性能进行“拉练”。
团队成员或坐在计算机前，紧盯着屏幕上的数据变化，或围在一块块形状各异的气凝胶前，探讨材料、结构等设计，力争在性能上有新突破。
见记者到来，高超转身从桌上拿起一块气凝胶递过来——长约2厘米、大小就像普通橡皮，放在手上几乎感受不到它的重量。
实验室墙上的一张照片更为直观。一块100立方厘米的圆柱形气凝胶“踩”在一根狗尾巴草上，狗尾巴草纤细的绒毛肉眼看不到变形。
“世界上最轻的固体材料之一，果然名不虚传。”记者不禁感慨，这究竟是怎么做到的？
在电子显微镜下，其中的奥秘被揭晓：气凝胶内部，纳米级的骨架分割成无数个气孔，整体结构类似一张立体渔网。其中，气孔占总体积的99%以上，固体骨架部分不到1%。高超告诉记者：“它的密度仅是空气的八分之一。”
若要为这种神奇的材料寻根问祖，它应该是果冻的“亲戚”。
1931年，美国科学家基斯特勒在吃果冻时产生了好奇：果冻水分含量高达99.5%，怎么会是胶状的形态呢？
他猜想，或许是一种纳米微孔网络结构“困住”了这些水分。如果把水分抽走，会留下一个“空气做的果冻”。这种说法让他的同事感到荒谬。于是，他们打了个赌。
为了验证自己的想法，基斯特勒用二氧化硅凝胶来模拟果冻做实验。他采用一套超慢的“干燥术”——利用目前制备气凝胶常用的超临界干燥法，在高温高压环境下通过精准控制压力和温度，既能抽走其中的液体，又能避免材料在干燥过程中收缩变形。
一系列操作后，基斯特勒真的做出了世界上第一块“空气果冻”——也就是气凝胶。此后，他又用氧化铝、氧化钨、氧化铁等原料制备出多种气凝胶。
自那时起，气凝胶便开启了它的神奇之旅，吸引着一代又一代科学家对它持续探索。伴随每一次技术革新的，是不断减重且强度提升、耐用性提升的气凝胶。
除了轻，气凝胶的优势还有很多。
它是隔热“王者”。热量传递靠传导、对流和辐射三种方式。气凝胶中几乎全是静止且传热“积极性”不高的空气，纳米骨架又如迷宫般复杂，热量“走”几步就晕头转向，无法“抄近路”。另外，通过添加特殊材料，气凝胶还能吸收辐射。
说它是清洁能手，主要得益于其多孔结构和极大的表面积。一块乒乓球大小的气凝胶，展开后表面积足足有一个足球场那么大。叠加本身只吸油不吸水特性，它就能像“大胃王”一样迅速“吃”掉水中的油污。
此外，气凝胶还有良好的绝缘性、阻燃性、隔音性等。种种优异性能让它在建筑、电子、化工等领域均可大放异彩，堪称材料界的“六边形战士”。
2021年，国际顶级权威学术杂志《科学》列出了可以改变世界的十种新材料，气凝胶占据首位。随后，国际纯粹与应用化学联合会又将其列入2022年度化学领域十大新兴技术。
研发团队成员在实验室探讨优化方案。受访者供图
用蒸馒头的方法降本增效
从刷新“世界最轻”纪录，到创新简便的制备方法，高超和团队探索了10余年。
高超打开手机，给记者看了一张照片：一块气凝胶放在蒲公英花朵上，花朵柔软的绒毛几乎没有变形。
这张入选了《自然》杂志2011年度十大图片的照片，来自美国HRL实验室、加州大学欧文分校和加州理工学院联合用镍制备的一种气凝胶。这种气凝胶便是当时世界上最轻的材料。
“能不能挑战这个极限？”彼时，高超在网上看到新闻后不禁思考起来。他长期专注石墨烯研究，决定从身边这种强度高、重量轻的“宝藏”材料着手。
制备更轻的气凝胶，材料很重要，过程更为关键。核心工艺就是“造孔”。传统的超临界干燥法虽能造出科学家想要的气孔，但需要依靠模具或添加剂。
2013年，高超带领团队探索出无模板冷冻干燥法，把溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温真空下冻干，就能获得气凝胶。高超为其取名为“碳海绵”。它也随即打破“世界最轻材料”纪录。
什么是无模板冷冻干燥法？简单来说，就像把一杯糖水冻成冰块，糖分子会被挤到冰晶的缝隙里，在低温真空环境下，冰直接升华成气体，就变成了多孔结构，类似自然形成的蜂窝。相比超临界干燥法，无模板冷冻干燥法的过程简便不少。
不过，随着研究的深入，团队成员不再一味追求“轻”。他们发现，自1931年世界上第一块气凝胶诞生至今，大部分气凝胶还未大规模批量化生产，商业化进程十分缓慢。
“归根结底还是制备工艺没有突破。”高超道出其中原因：不论是“魔法去水”的超临界干燥法，还是“低温抽冰”的无模板冷冻干燥法，都存在耗时长、能耗大、成本高等缺点。
能不能创造一种普适性的方法？有一回，团队成员庞凯拿着手机刷各种化学课堂的短视频，突然从“大象牙膏”小实验里找到了灵感。该实验中，双氧水和发泡剂在催化剂的作用下瞬间喷出大量泡沫，仿佛一管巨型牙膏。
“是不是找到合适的发泡剂，我们就能在石墨烯里‘造’出无数小气孔？”放下手机，庞凯越想越兴奋。
2018年，在尝试了几十种发泡剂后，他和同事成功探索出发泡法。这是个类似蒸馒头产生气孔的过程，在常温常压下就能进行，制备周期从原来的一周缩短至几十分钟。
不过，就像技艺再高超的厨师，每次蒸出的馒头也不可能完全相同，这种方法不太可控。
在此基础上，团队又反复实验，将发泡法改进为二维通道受限发泡。想象一下，你在一个非常狭窄的走廊里吹泡泡，走廊宽度只比泡泡大一点点，两侧的墙壁就会限制其形状。这种方法形成的气孔，排列会更加规则，孔径大小也更可控，成本可降至十分之一。
有了简便且通用的制备方法，大家开始拿着元素周期表“玩”了起来，一口气做了190多种类型的气凝胶。“从导电金属到绝缘陶瓷，从透明、黑白到彩色，我们的‘百宝箱’里都有。”高超略显自豪。
能像塑料一样改变世界吗
想让气凝胶在各个领域大显身手，还要让其在某些方面具备更突出的性能。意识到这一点，是在团队的一次投稿失败后——
当时，大家拿着最新研究成果向一家国际顶刊投稿，但从对方委婉的回复中，高超明白，光有简便的制备方法和丰富的种类或许还不够，研究得向更优的性能发起挑战。
那段时间，大家有空就翻阅国内外相关材料，光文献就查阅了上千篇。世界上已有的气凝胶及其性能都被一一罗列。最终，从市场需求和实用性出发，团队选择先对气凝胶的耐热和高弹性“下手”。
有了目标，高超和团队再次化身“大厨”，每天泡在实验室里调整配方，力争做出一道口味颜值兼具的“米其林三星级大餐”。他们发现，高熵气凝胶具备这样的潜力。
简单而言，高熵气凝胶由五种及以上原子级材料分散混合而成——就像一支由多个领域顶尖专家组成的“团队”，它当然比“单人或双人作战”能量更大、性能更全面。
为了测试气凝胶的超高温力学性能，团队花费近一年时间，自己搭建了一个可以实时观测的高温熔炉。熔炉内，两块不锈钢反复挤压，温度一点点加升，气凝胶被压坏或者熔化了就重新调整其气孔结构，如此循环往复。
终于，团队制备的高熵氧化物气凝胶、高熵碳化物烯陶气凝胶均能在2000℃高温、2万余次挤压、变形99%的情况下，依然能“毫发未伤”。公开资料显示，此前的相关记录为可耐受1700℃高温、60%左右变形。
“制备高熵气凝胶的方法不仅简单高效，也大大提升了气凝胶的性能，在智能电子、微型电容器及人工生物电化学系统等方面有着巨大的应用前景。”南开大学特聘教授、纳米科学与技术研究中心主任陈永胜说。
这项新成果也引得不少企业、研究院纷至沓来寻求合作。其实在此之前，尽管制备工艺限制，气凝胶却凭借优越特性，已在部分领域有所应用——
比如在航天探测领域，中国的“祝融号”火星车、俄罗斯的“和平号”空间站、美国的“火星探路者”探测器等，都采用了气凝胶作为隔热材料；高端服装企业研发出“黑科技”面料，利用气凝胶提升衣服保暖性；建筑行业则将其添加到墙体材料中，让室内温度保持相对稳定。
研制出高熵气凝胶后，高超和团队往返于实验室和市场一线，与航天飞行器、探测车、新能源汽车等相关制造企业进行商业化可行性探讨。
以新能源汽车为例，目前已有不少企业利用气凝胶作为电池组的隔热材料，其耐热温度约400℃。今年4月，工信部发布《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，首次将动力电池热失控后“不起火不爆炸”纳入强制标准，被称为“史上最严电池安全令”。
能耐2000℃高温的气凝胶，或将为新能源汽车动力电池打开新的技术空间。“目前我们有1条生产线经过改造后，已开始小批量生产烯陶气凝胶隔热片，预计明年能投产使用。”浙江高烯热管理技术有限公司相关负责人赖海文说。
高超预计，若他们研发的气凝胶推广顺利，其产业规模可达数十亿元。未来，随着气凝胶的大规模产业化，也许它也能像塑料一样改变世界。
美好的愿景下，团队步履不停，不断优化着气凝胶的性能。“争取耐热性突破3000℃。”他们继续向自己发起挑战。
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新材料锻造新未来
21世纪科技浪潮中，新材料作为战略性、基础性产业，正引领着全球新一轮的科技革命和产业变革。
从古代的自然材料、青铜、铁器，到今天的纳米材料、复合材料，每一次材料的革新都推动着人类社会文明的进步。尤其在几次工业革命阶段，材料对经济和社会发展的推动作用显著。钢铁材料成就的机械化生产、电磁材料催生的自动化生产，以及半导体材料引领的信息化生产，都是材料技术推动工业发展的生动例证。
根据国家出台的《新材料产业发展指南》，新材料主要包括先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料三大类。先进基础材料包括高性能金属、特种塑料与橡胶、陶瓷、玻璃等；关键战略材料包括稀土功能材料、先进半导体材料、新型能源材料及新型显示材料等，是发展战略性新兴产业的最重要原材料；前沿新材料包括用于高端医疗器械的纳米材料、石墨烯材料等。
产业链方面，新材料的制造处于中游位置，上游涉及有色金属、化学纤维、树脂、陶瓷、石墨等原材料；下游应用领域涉及光伏、建材、航空航天、新能源汽车、电子电器、医疗器械等众多领域。
2010年10月，国务院作出关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定，将新材料列为重点培育和发展的7个战略性新兴产业之一。这是我国首次将新材料作为一个独立的产业，从国家战略角度进行重点扶持。
2024年，工业和信息化部等三部门还联合印发《新材料大数据中心总体建设方案》，计划到2027年，搭建形成“1+N”（1个中心主平台、N个数据资源节点）的新材料大数据中心架构体系；到2035年，新材料大数据中心体系全面建成并稳定运行，数据规模进入国际第一梯队。
新材料大数据中心是促进新材料产业创新发展的新型研发基础设施，旨在立足机制创新、协同创新、成果转化，构建新材料数据资源中心、数据产品研发中心、数据基础产品和定制化服务提供中心，主要功能为构建材料数据汇聚标准和融通平台、加强共性和前沿技术研究、开展材料数据软件产品开发应用、提供材料数据公益服务、加强材料基因领域创新人才队伍建设、推进材料数据和技术国际合作等。
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