2013年4月9日
从果冻到气凝胶
肉冻和果冻是常见的食物，它们柔软，富有弹性，味道鲜美，入口即化，因而受到人们的青睐。然而很少人怀疑，它们的主要成分是水，为什么水不从果冻里面流出来呢？是什么样的机制把水“锁”在果冻里面的呢？
有一个人对果冻产生了兴趣，正是对果冻的好奇心，在穷追不舍之后，使他做出了一项奇特的发明，一种神奇的新材料——气凝胶由此诞生。这个人就是塞缪尔·基斯勒（Samuel Kistler）（图1）。基斯勒是美国科学家和化学工程师。1900年，基斯勒诞生于美国加利福尼亚州东北部的一个叫谢德维尔的偏远小镇，父亲经营一个小店铺。在他12岁时，全家搬到圣塔洛萨城。这时，他迷上了两件事：化学和大提琴。1917年，进入大西洋学院后，在选修农科的同时，仍然梦想着成为一个大提琴手。在直到3年后，在斯坦福大学读取研究生时，才转到他所喜爱的化学。拿到化学工程博士学位后，先后在加利福尼亚州标准石油公司和太平洋学院任教。直到1931年，在他31岁时，来到伊利诺伊大学任教。就在这一时期，他有了重要的发明——气凝胶。
图1
一般的固体都比空气重，很难看到哪一块固体能漂浮在空气里，但一种物体例外，这就是气凝胶。这是一种发泡的固体，但它绝大部分（即99.8%）都是空气，平均密度只有水的六分之一，最低密度可达每立方厘米0.16毫克，只比空气稍重一点。一块石墨气凝胶竟然能被一朵蒲公英花托起来，如图2所示。
图2
气凝胶不但是世界上最轻的材料，还是最好的隔热材料，它能阻断传导、对流和辐射这三种传热方式。只有2厘米厚的硅气凝胶板的隔热性能相当于20～30块普通玻璃。如图3所示，用火焰直接烧烤硅气凝胶板，十几分钟以后，上面的花朵依旧芬芳如故。气凝胶还具有高弹性，把一块碳气凝胶压缩80%以后，除去压力很快恢复原状。气凝胶还是迄今为止吸附能力最强的物质。一般最好的吸油材料顶多能吸收自己质量10倍的油液，但碳气凝胶可达到900倍。更神奇的是，它只吸油，不吸水。气凝胶的这个优点立刻使人想到用它处理海上漏油。把它们洒在海面上，漏油被迅速吸收进来，因为它们体轻，能持久飘浮在水面，只吸油不吸水，更由于高弹性，还能把吸收的油挤压出去，无论是油还是气凝胶都可以回收再用。气凝胶上述优点，使它在化学、光学、电学、航空、航天技术及生命科学等领域中都具有非常诱人的应用前景。
图3
无论是谁都没有想到，这样的神奇材料竟然发端于果冻。1931年，正在伊利诺伊大学任教的基斯勒突然对果冻产生了兴趣。他很好奇，果冻不算是固体，可也不算液体，它的成分几乎都是水，既柔软又富有弹性，就好像是灌满了水的气球，然而它没有气球那样的外皮。究竟是什么样的强大机制能把如此多的水“束缚”在里面而不淌出来的呢？为什么用棍子一搅，水会流出来呢？经他仔细研究，终于找到秘密所在。原来，锁住果冻水的结构是一个个小型的笼形网格，这些笼形网格就是胶原蛋白分子，笼形网格和水的表面张力犹如“天作之合”，它们配合得恰到好处，使里面的水无法挣脱，因此这种“笼形网格”就像一间间小“监狱”那样，把水“圈”了起来。明胶的熔点是35摄氏度，到达这个温度，笼形结构解体，水就迸射而出，这就是果冻入口即化的“神奇”所在。基斯勒被如此魅力的结构彻底地征服了，他不满足于得出的这一解释，决心继续追查到底，看还能有什么新发现。此后，为了研究果冻结构，他花了近10年的工夫。
首先，他想知道果冻的明胶网格是不是一个整体，也就是说，如果把其中的水移走，只在显微镜下才能看到的“网格”还能不能独立地存在？为了回答这个问题，基斯勒反复做了一系列的试验。结果得出三个结论：一是网格里的水并非像他预想那样也被分隔成一个个“独立的小份”，水还是一个整体；另一个结论是，果冻里的水和网格是相互独立的，完全可以分离；第三个结论就更重要了，有这种笼形结构的不只是果冻，所有类似胶体的物质，如肉冻、凝固中的水泥、发胶等都具有这样的特性。基斯勒不只是好奇，他意识到这个发现意义重大，于是突发奇想，能不能把网格中的水替换成其他物质，人工制造出什么新型材料来呢？这个想法一经出现，就使他兴奋不已。
基斯勒开始琢磨着把“胶体”中的水蒸发出来。他想，如果把水代之以空气该是什么样呢？想着容易，实施起来却非易事。基斯勒与他的伙伴查理·勒恩德（Charles Learned）先尝试着用各种“蒸发法”和“压缩法”去除胶体中的液体，反复试验都不成功。失败的原因是，在强力挤出液体的同时，胶体框架也强烈压缩，无论固体网格的哪一个环节遭到损坏，整体结构也就随之像“多米诺骨牌”那样坍缩了。正在他们绞尽脑汁一筹莫展时，他们的同事麦克贝恩（J. W. McBain）教授提出一个关键的好主意，建议采用“置换法”试试看。
经过反复试验，他们找到了一个最理想的“置换法”，这就是把胶体放入高压槽内，在“高压临界状态”下进行。高压使他们得到两个标准，一是在“临界高压”下，即使胶体里的液体到达沸点，也不会蒸发；另一是在“临界温度”下，液体和它所对应气体的密度和结构完全相同。此时奇迹出现，只要超过临界温度一点，液体就在没有任何中间停顿的情况下直接变成气体，而所转化的气体还保持与液体的密度结构完全相同。正因如此，胶体“不知道”它里面的液体已经“偷偷地”变成气体，而处于胶体笼形结构中的气体由于高压作用也无法挣脱，除了液体被气体置换以外，一切保持原来状态。剩下的工作，就是一点点地使气体散逸，慢到使剩下的空格子不遭到一点破损，果冻就“神不知鬼不觉”地变成气凝胶了。
果然，气体慢慢散逸之后，胶体保留完整的固体结构。当第一块轻盈的气凝胶出现在面前时，基斯勒真是惊呆了。它轻盈透亮，阳光之下泛着蔚蓝色，犹如握在手中的“一片蓝天”，如图4所示。尽管它很脆弱，却在新材料的大千世界上占有了一方席位，成为新世纪具有发展前途的十大著名新材料之一。基斯勒的发明为以后的成功奠定了基础。
图4
1931年，基斯勒把这一成果以“共聚扩散气凝胶与果冻”为题，发表在《自然》杂志上。对此结果，基斯勒并不满足。紧接着，他又制作成功二氧化硅气凝胶，成为世界上最轻的固体材料，并于1937年9月21日获得美国专利。继明胶和二氧化硅气凝胶之后，基斯勒先后又制作成功氧化铝、酒石酸镍、氧化锡、琼脂、三氧化钨、硝化纤维、纤维素和卵白蛋白等气凝胶。基斯勒在论文里列出了这些材料，并信心十足地说：“这个名单还能无限长地扩展下去，似乎没有做不到的理由。”图5是碳气凝胶的结构图，其中网格的尺寸只有50纳米。
图5
尽管后来的气凝胶种类很多，但由于要使用高温和高压等特殊装置，制作过程复杂、手续繁琐、生产周期长而产量低，这些因素使成本居高不下，而生产出来的气凝胶又十分脆弱，耐用性也很差。由于这一系列问题难以解决，使气凝胶在发明之后，经过了长达半个多世纪之久，还只停留在实验室阶段。尽管气凝胶具有优异的性质，尽管针对硅气凝胶强度差的弱点，研究人员又找到一种新工艺，用有机物和无机物混杂的办法，制造出来具有一定柔软度的气凝胶，然而，在改善了材料强度的同时，制备过程更加繁琐，密度也随之加大，低密度的优点也不突出。众多原因使气凝胶在实用性的开发方面还一直裹足不前。
经过了半个多世纪的探索，气凝胶技术终于有了新的突破。2013年4月9日，中国科学院化学研究所宣布，在徐坚和赵宁两位研究员的带领下，利用分子设计技术，制备出一种桥式连接的气凝胶材料。这种材料的分子包含有机材料和无机材料，分子的两端是三烷氧基硅，中间以柔软的硫醚链连接，使材料既具有了一定的强度，又保持了柔韧度。更为可喜的是，这种材料可以直接在室温下通过真空干燥制成，从而简化了制备过程。新材料还保持了尺寸不变、质地均一、密度低、热导率低、孔隙率高等一系列优点，如图6所示。这是国际上首次开发出来的以真空干燥方法制备气凝胶的技术，由于方法简便，材料性能优异，适于实现规模化生产，为气凝胶在众多领域的实际应用奠定科学和技术的基础。
图6
目前，气凝胶在航天技术上的特殊应用受到了世人瞩目，如用作航天器的隔热材料，以及利用它的吸附特性采集太空宇宙尘等。根据事先拟订的计划，在2004年1月2日，“星尘”号宇宙飞船与直径5千米的“威德”2号彗星相遇。在这颗彗星后方的237千米处的彗尾里，“星尘”号宇宙飞船利用气凝胶采集到了彗星尾尘，从中有了意外的发现。在显微镜下，显出了几颗铝的熔滴，这样的熔滴要在1200摄氏度下才能形成。这件事引起了人们的好奇，更引起了专家的猜测。一般认为，彗星是在太阳系诞生之初形成的，彗星始终在冰冷的太空中飞行，与其说是一种星体，不如说是一个巨大的“冰坨子”，似乎其中含有铝熔滴是不可思议的事。这个发现说明，在对彗星，乃至太阳系形成的传统解释上，还有许多不为人知的事。
关键词：气凝胶，塞缪尔·基斯勒，Aerogel，Samuel Kistler
图1：http://energy.lbl.gov/ecs/aerogels/kistler-edu-cator.html
图3：https://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel
图4：http://geobeck.tripod.com/frontier/aerogels.html