气凝胶：能改变世界的多功能材料******

　　展览会上展出的具有纳米多孔结构的新型材料气凝胶服装

中新社 任海霞摄

　　【走近超材料①】

　　编者按超材料具有常规材料不具备的超常物理性质，是国际上重点关注的战略前沿领域。我国也高度重视超材料技术的发展，国家自然科学基金、新材料重大专项等都对超材料研究予以立项支持。近年来，越来越多的科研人员对超材料产生兴趣，使超材料的设计开发进入了一个崭新的天地。据此，本版推出“走近超材料”系列报道，展示超材料技术创新发展与产业化应用情况。

　　气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、使用温度范围广、寿命长。近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。

　　气凝胶是一种超材料，它非常轻，即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯。目前，各种各样的气凝胶被开发出来，它们或柔软或坚硬，或导电或绝缘，应用领域广泛。1月10日，中铁一局集团有限公司表示，河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收。蒸汽管网对防腐、保温要求极高，其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人汪惺说，纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料的2—5倍，可极大提高施工质量和施工效率，降低施工成本。

　　作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料，气凝胶可谓是材料领域的“隔热王者”，并已在航天、石化等领域应用。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶。在我国提出“双碳”目标后，随着技术的不断创新，气凝胶的应用场景也在进一步扩大。

　　具有耐高温、高弹性、强吸附等特性

　　气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料，所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数，甚至可以达到99％以上，具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞、低密度等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、高弹性、强吸附、防水效果好、使用温度范围广、寿命长。

　　“可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版。”气凝胶领域技术专家王贝尔说，其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米，大于气凝胶孔隙的直径，因此空气在气凝胶上流动效率极低，加上气凝胶本身比热容很高，热辐射传递能降到最低，因而具有很好的隔热性能。

　　气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中，无机气凝胶是以无机物为主体，包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则是以有机物为主体，主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势，实现气凝胶特殊的功能化。

　　《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一，并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。王贝尔说，气凝胶是《科学》杂志评选出的十大新材料中，唯一一个已大规模落地于实际商业场景的材料。

　　气凝胶的制备工艺主要分为两步，即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶，再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。

　　有数据显示，在气凝胶行业的成本结构中，制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说，降低气凝胶成本是行业正在努力的一个方向，目前主要路径之一是自动化产线的落地，而成本降低将会打开更多的应用场景。

　　生物质基气凝胶成研究热点

　　据中国石油管道科技研究中心评估，以350摄氏度蒸汽管道的保温应用为例，相比于传统保温材料，气凝胶的保温层厚度可减少2/3，节约能耗40%以上，每公里管道每年可减少二氧化碳排放125吨。

　　数据显示，2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量的56%，另有18%用于工业隔热、9%用于建筑建造、8%用于交通运输。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出，在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料，可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上。随着新能源汽车产业等的发展，气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛，需求量有望持续提升。

　　气凝胶发展迅速。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说，近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶。值得一提的是，生物质原料来源广泛、成本低廉、碳源丰富，利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济、可持续的生产方式，因此目前生物质基气凝胶也成为研究的热点。

　　比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶，该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度，都表现出不随温度变化的超弹性、优异的抗疲劳性等，在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力。且制备中所使用的材料均为生物质原料，有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题，是传统不可再生气凝胶的理想替代品。

　　中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质，将无机、有机气凝胶与木材骨架基体复合，首创了第三代木质纤维素气凝胶。通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控，将纤维素比表面积提高了7个数量级，对油污吸附能力高达自身质量的75—300倍，体积用量缩减50%—75%，可降解、可再生。

　　气凝胶发展驶入“快车道”

　　气凝胶的发展得到国家政策的持续支持。2014年和2015年，国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》，开始对气凝胶进行初步推广应用；2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业；同年9月，第一个气凝胶方面的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布；2020年，《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用；2021年，《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出，推动气凝胶等新型材料研发应用。

　　随着气凝胶应用技术不断成熟，气凝胶发展进入“快车道”。不过，李维科说，目前气凝胶研究仍存在一些问题，比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快，与纤维等增强基体材料的黏结性较差；生产过程中会用到许多有机溶剂，容易造成环境污染；气凝胶难以回收利用，不利于可持续发展等。

　　此外，气凝胶生产成本高昂，产品价格昂贵。《2022气凝胶行业研究报告》指出，气凝胶的生产成本主要集中在原材料硅源、设备折旧及能耗方面。有效降低成本既依赖于制备工艺的突破，也需要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。

　　气凝胶是罕见的可以同时满足防火、防水、隔热、隔音等多种需求的材料。李维科说，气凝胶的发展和应用仍然处于不断探索的过程，未来的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶、钙钛矿结构气凝胶、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。（记者 李 禾）

最强寒潮来袭，一键get防寒保暖知识！******

　　今年入冬以来，最强寒潮天气来袭。

　　27日寒潮天气已在西北地区“露头”，新疆北部和西部、内蒙古西部、甘肃中西部等地出现大风降温天气，有23个台站的最大风速突破或达到历史极值，部分地区降温幅度达12℃至20℃。

　　28至30日，我国大部分地区气温继续断崖式下跌，部分地区降温可达18℃以上。

图源：中央气象台

　　“这次寒潮过程最显著的特点就是降温剧烈，全国大部气温将会由前期明显偏高转为明显偏低。”中央气象台首席预报员张芳华说。

　　寒潮是什么？

　　寒潮是指来自高纬度地区的寒冷空气，在特定的天气形势下迅速加强并向中低纬度地区侵入，造成沿途地区剧烈降温、大风和雨雪天气。这种冷空气南侵达到一定标准的就称为寒潮。寒潮是一种大范围的天气过程，在全国各地都可能发生，可以引发霜冻、冻害等多种自然灾害。

图源：摄图网

　　中华人民共和国国家标准《冷空气等级》(GB/T20484 －2006)中寒潮的定义是：某一地区冷空气过境后，气温24h内下降8℃以上，且最低气温下降到4℃以下；或48h内气温下降10℃以上，且最低气温下降到4℃以下；或72h内气温连续下降12℃以上，并且最低气温在4℃以下。

　　寒潮多发生在秋末、冬季和初春时节。统计显示，近三十年，也就是从1991年至2020年，我国平均每年发生寒潮5.4次，其中两到三次为全国性寒潮。1991年以来，寒潮出现次数最多的年份是2021年，共11次；出现寒潮次数最少的是2017年，仅有2次。

　　寒潮来袭、气温骤降，容易导致哪些疾病？

　　心脑血管疾病。突然降温，会刺激人体交感神经兴奋，造成血管收缩、血液循环的外周阻力增加、血压升高、心肌耗氧量增多，引起血压飙升和心肌缺血加重，最终导致脑出血和心绞痛发作。天气寒冷还会使血液变得黏稠、流速减缓，导致血栓形成，最终造成脑血管堵塞或心肌梗塞。

　　脑卒中（中风）。脑卒中发病率与季节有明显的联系，一般认为冬季最高，尤其是在温度骤降时。气温骤降，昼夜温差悬殊，低气压、高湿度，易使得血压骤然上升，卒中意外也接踵而至。

　　呼吸道传染病。寒冷常伴随干燥、湿度低，容易使病原微生物悬浮于空气中，增加了病原微生物与人的接触机会；寒冷的空气会降低呼吸道的免疫功能，抑制免疫细胞活性，减少气道纤毛功能。

　　骨折。气温低，肌肉和韧带柔韧性较差，对关节的保护力度减弱。道路冰冻很容易使人失去平衡而摔倒，稍有不慎就会造成关节损伤及骨折。尤其是老年人和绝经后女性，多伴有骨质疏松或骨量减少，相较年轻人更容易摔倒，也更容易骨折。

　　如何防寒保暖，降低患病可能性

　　各位小伙伴儿们！世界上没有“金钟罩”“铁布衫”，请亲爱的你们，尤其是老人、小孩以及患有呼吸道疾病、心血管疾病等慢性病的患者，降温期间做好个人防护，提高自身抵抗力。

　　一定注意保暖！雨雪天外出一定要注意保暖，尤其要保护好头部、手部和脚部，千万别忘了戴帽子、围巾和手套。有心脑血管疾病的人，出行时最好要随身携带速效救心丸、硝酸甘油等急救药物。当出现胸痛、呼吸困难、肢体麻木、活动失灵等症状时，应及时拨打120，以免错过最佳治疗时间。

　　注意房间通风。从减少病原菌单位浓度的角度，要定期通风，如在出门或离开房间时，可以视情况打开门窗。如果长时间待在室内，可以交替打开不同房间的门窗。此外，还需增加室内湿度，特别是在开空调时，可使用湿化器，保持室内湿度30-40%之间。

　　寒冷天气尽量减少出行。如果有事必须外出，不要穿易滑的塑料底鞋。在室外锻炼时，要尽量避开有水、结冰的路面，要充分进行准备活动，伸展肢体，进行“预热”。

　　适量增加摄入产热高的食物。如羊肉、牛肉、鸡肉、红枣等，这些食品中富含蛋白质及脂肪，对于身体虚寒、阳气不足者特别有益。还应多吃柚子、苹果等生津类水果，适量增加辛辣御寒食品，帮助祛寒和增进食欲，促进血液循环，增强御寒能力。

　　资料来源：科普北京、中央气象台、中国疾控中心、健康时报、健康杭州

　　整理：刘雪洁　蔡琳