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“最轻固体”气凝胶的诞生之路

气凝胶是一种具有高孔隙率及低导热系数的轻质多孔材料,是目前已知的密度最低的固体,每立方厘米只有0.16毫克,其中98 %的体积都是空气,甚至如果把里面的空气抽成真空,会得到比空气还轻的固体。不过气凝胶最出圈的性质还是超低的导热系数,常温下比静止的空气更低,只有0.015 W/(m·k),这两个特质都是来源于气凝胶的特殊三维网络结构,而促使气凝胶的发明却是来源于80年前两个科学家之间的一场“赌局”。

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Samuel Kistler与同事画像

1931年,美国加州太平洋大学的Samuel Kistler与同事打赌,提出要证明一种具有相同尺寸的连续网络结构的固体凝胶,形状与湿凝胶一致,打个比方就是将果冻里面的液体取出但是又不影响整体结构,有人要问了,这也能让两个科学家赌上一顿午餐吗?我直接把果冻扔到烤箱里把水烧开了就好啦。然而要想保持凝胶的结构,简单地让湿凝胶干燥是不行的,凝胶将会严重开裂并且收缩,最终破碎成小碎片。Kistler推测凝胶收缩破碎的原因是当液体从微孔中蒸发时,固液界面存在较大的毛细管作用及表面张力,拉扯孔洞内壁,使得脆弱的凝胶微孔结构坍塌。

凝胶在空气中因为内部液体蒸发逐渐开裂

一段时间后体积收缩破碎

Kistler尝试了很多种方法,最终通过溶剂置换,将凝胶中的水替换成乙醇后,再在密闭容器中施加高温高压(243 ℃,6.38 MPa),使得乙醇达到超临界状态,消除了固液之间的表面张力,第一次成功地将液体从凝胶中排除而保留了完整的凝胶微孔结构,最终的成果发表在Nature上,标题为《共聚扩散气凝胶与果冻》,至此,气凝胶终于诞生了!(压力果然可以激发潜能~)

溶剂置换,在浓度差及渗透压力下把水换成乙醇

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升温升压

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呈现淡蓝色透明的气凝胶块体

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气凝胶内部多孔结构

为什么通过将乙醇加热加压到超临界状态就能制备得到气凝胶呢?这是因为超临界流体既不是液体也不是气体,但是又同时具有液体跟气体的特性,处于这种特殊状态的液体如乙醇将会变成烟一样四处飘散,气液界面小时,此时将不再有固液界限或气液界限,那么导致凝胶收缩破碎的表面张力或毛细管作用将不复存在,微孔中留存的液体都能非常顺利的、几乎无阻碍地从孔洞中逃逸到环境中,实现湿凝胶的干燥。

   达到超临界的一刻

  

说了那么多气凝胶的起源,那么问题来了,果冻到底是固体还是液体?超临界流体是液体还是气体呢?

Q弹的果冻

下一期我们继续聊聊超临界干燥,看看如何做出漂亮的气凝胶块。

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