10月16日，據(jù)中國科學報報道，輕固體有望在中國量產(chǎn)，密度僅為空氣1/6。

輕固體物質(zhì)有望規(guī)模化生產(chǎn)

日常生活中氣凝膠的使用仍然十分罕見，對它的應(yīng)用研究大多停留在實驗室階段，或集中在少數(shù)的高精尖域。

密度僅為空氣的1/6、高孔隙率、大比表面積和低的熱導率……氣凝膠身上如此不錯的性質(zhì)，使它毫無疑問地榮升為上輕的固體物質(zhì)。據(jù)報道，目前氣凝膠的低密度可以達到0.16mg/cm3。

鑒于此，諸多科學家把氣凝膠認為是“改變的神奇材料”，并預言將在化學、光學、電學以及航空航天、生命科學等域具有重要的應(yīng)用前景。

上第塊氣凝膠誕生于1931年，美國科學家Kistler次使用超臨界干燥法將二氧化硅凝膠中的液體用空氣置換出來，完整地保持了凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到了半透明的二氧化硅氣凝膠。鑒于氣凝膠特的性質(zhì)，自問世以來氣凝膠材料的研究直受到廣泛的關(guān)注。

應(yīng)用研究停留在實驗室

然而，時至今日，在我們的日常生活中氣凝膠的使用仍然十分罕見，對它的應(yīng)用研究大多停留在實驗室階段，或集中在少數(shù)的高精尖域。

究其原因，主要有兩方面：第，氣凝膠低密度、高孔隙率的特點使得這種材料非常脆弱，在實際應(yīng)用環(huán)境中的耐用性較差；第二，凝膠的干燥過程非常復雜，常規(guī)條件會導致嚴重的體積收縮，通常須使用超臨界干燥技術(shù)，涉及高溫高壓、特殊裝置，且制備程序煩瑣、非連續(xù)、周期長、產(chǎn)量低，使得它的生產(chǎn)成本居高不下。

針對二氧化硅氣凝膠強度差的弱點，目前個行之有效的手段是在二氧化硅凝膠中引入有機組份。

在這方面，國內(nèi)外的研究人員通過努力，的確已經(jīng)得到具有定柔韌性的有機—無機雜化氣凝膠。但遺憾的是，這種方法的弊端在于使氣凝膠的制備工藝更加煩瑣，同時還伴隨著氣凝膠密度的大幅度增加，而這，卻與其低密度的特點相悖。

另方面，為了替代超臨界干燥技術(shù)，研究人員也在不斷探索新的干燥技術(shù)。如常壓干燥法，既不涉及高壓，又在干燥過程中對凝膠有增強作用。

但由于這種方法無法避免毛細力對凝膠孔結(jié)構(gòu)的破壞，因此所制備的樣品仍會發(fā)生收縮，嚴重情況下會導致樣品破碎，難以大規(guī)模制備，同時常壓干燥法需要使用大量的溶劑，難以避免高成本和環(huán)境污染問題。因此，通過經(jīng)濟、便捷的途徑制備力學性能異的低密度氣凝膠具有重要意義。

簡便制備技術(shù)和性能化獲突破

近，從中國科學院化學研究所傳來好消息：該所徐堅研究員和趙寧副研究員帶的團隊在自然科學基金委、科技部的大力支持下，在氣凝膠材料簡便制備技術(shù)和性能化方面取得了新進展。

他們通過分子設(shè)計，以巰基—雙鍵點擊反應(yīng)制備了含有硫醚鏈段的橋聯(lián)倍半硅氧烷前驅(qū)體，在分子尺度上引入有機組分，這種有機—無機雜化分子兩端是三烷氧基硅基，經(jīng)水解縮合后可表現(xiàn)出良好的剛性和尺寸穩(wěn)定性，中間柔順的硫醚鏈段則可賦予凝膠骨架彈性。

令人欣喜的是，這種橋聯(lián)倍半硅氧烷凝膠可直接在室溫下真空干燥得到氣凝膠，大地簡化了氣凝膠的制備過程，得到的氣凝膠不但完整保留了濕凝膠的初始尺寸，而且質(zhì)地均、密度低、導熱系數(shù)低、比表面積高，具備傳統(tǒng)方法制備氣凝膠的良特性。

研究表明，在真空下凝膠中的溶劑揮發(fā)過程中，柔性的硫醚鏈段使得彈性凝膠骨架能夠通過改變構(gòu)象來承受毛細力的擠壓，其較低的性也有助于減弱凝膠與溶劑之間的相互作用；溶劑快速揮發(fā)也縮短了毛細力的作用時間，減輕了應(yīng)力積累對凝膠孔結(jié)構(gòu)的破壞作用；同時，溶劑的快速蒸發(fā)帶走了大量熱量，體系溫度迅速下降，降低了硅羥基的反應(yīng)活性，減少了不可逆形變的產(chǎn)生，這對于保持凝膠的結(jié)構(gòu)非常有利。

與傳統(tǒng)的二氧化硅氣凝膠相比，這類型的橋聯(lián)倍半硅氧烷氣凝膠還表現(xiàn)出異的柔韌性和彈性，能在50%的形變下仍保持結(jié)構(gòu)不被破壞，并可在30%的形變下反復壓縮多次后迅速回彈而不產(chǎn)生長久變形。

如果將其再次浸泡在乙醇或水中，經(jīng)真空干燥后，橋聯(lián)倍半硅氧烷凝膠仍能夠保持宏觀和微觀結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，這為通過簡單的濕化學或物理浸漬方法對該氣凝膠骨架表面進行功能化改性提供了可能。

例如，他們將該氣凝膠浸泡在聚乙烯亞胺（PEI）水溶液或乙醇溶液中，干燥后可在氣凝膠骨架表面形成層PEI涂層，得到具有很高二氧化碳吸附效率的吸附材料。相關(guān)技術(shù)已申請，研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在近期的《先進材料》雜志。

據(jù)悉，這是國際上次以真空干燥技術(shù)制備氣凝膠材料的報道。這種制備方法簡便、材料性能異、易于表面功能化的氣凝膠材料有望實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，為氣凝膠在眾多域中的實際應(yīng)用奠定了科學和技術(shù)基礎(chǔ)。