氣凝膠是一種具有高孔隙率及低導(dǎo)熱系數(shù)的輕質(zhì)多孔材料，是目前已知的密度最低的固體，每立方厘米只有0.16毫克，其中98 %的體積都是空氣，甚至如果把里面的空氣抽成真空，會(huì)得到比空氣還輕的固體。不過(guò)氣凝膠最出圈的性質(zhì)還是超低的導(dǎo)熱系數(shù)，常溫下比靜止的空氣更低，只有0.015 W/(m·k)，這兩個(gè)特質(zhì)都是來(lái)源于氣凝膠的特殊三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而促使氣凝膠的發(fā)明卻是來(lái)源于80年前兩個(gè)科學(xué)家之間的一場(chǎng)“賭局”。

Samuel Kistler與同事畫(huà)像

1931年，美國(guó)加州太平洋大學(xué)的Samuel Kistler與同事打賭，提出要證明一種具有相同尺寸的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固體凝膠，形狀與濕凝膠一致，打個(gè)比方就是將果凍里面的液體取出但是又不影響整體結(jié)構(gòu)，有人要問(wèn)了，這也能讓兩個(gè)科學(xué)家賭上一頓午餐嗎？我直接把果凍扔到烤箱里把水燒開(kāi)了就好啦。然而要想保持凝膠的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單地讓濕凝膠干燥是不行的，凝膠將會(huì)嚴(yán)重開(kāi)裂并且收縮，最終破碎成小碎片。Kistler推測(cè)凝膠收縮破碎的原因是當(dāng)液體從微孔中蒸發(fā)時(shí)，固液界面存在較大的毛細(xì)管作用及表面張力，拉扯孔洞內(nèi)壁，使得脆弱的凝膠微孔結(jié)構(gòu)坍塌。

凝膠在空氣中因?yàn)閮?nèi)部液體蒸發(fā)逐漸開(kāi)裂

一段時(shí)間后體積收縮破碎

Kistler嘗試了很多種方法，最終通過(guò)溶劑置換，將凝膠中的水替換成乙醇后，再在密閉容器中施加高溫高壓（243 ℃，6.38 MPa），使得乙醇達(dá)到超臨界狀態(tài)，消除了固液之間的表面張力，第一次成功地將液體從凝膠中排除而保留了完整的凝膠微孔結(jié)構(gòu)，最終的成果發(fā)表在Nature上，標(biāo)題為《共聚擴(kuò)散氣凝膠與果凍》，至此，氣凝膠終于誕生了！（壓力果然可以激發(fā)潛能~）

溶劑置換，在濃度差及滲透壓力下把水換成乙醇

升溫升壓

呈現(xiàn)淡藍(lán)色透明的氣凝膠塊體

氣凝膠內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)

為什么通過(guò)將乙醇加熱加壓到超臨界狀態(tài)就能制備得到氣凝膠呢？這是因?yàn)槌R界流體既不是液體也不是氣體，但是又同時(shí)具有液體跟氣體的特性，處于這種特殊狀態(tài)的液體如乙醇將會(huì)變成煙一樣四處飄散，氣液界面小時(shí)，此時(shí)將不再有固液界限或氣液界限，那么導(dǎo)致凝膠收縮破碎的表面張力或毛細(xì)管作用將不復(fù)存在，微孔中留存的液體都能非常順利的、幾乎無(wú)阻礙地從孔洞中逃逸到環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)濕凝膠的干燥。

   達(dá)到超臨界的一刻

  說(shuō)了那么多氣凝膠的起源，那么問(wèn)題來(lái)了，果凍到底是固體還是液體？超臨界流體是液體還是氣體呢？

Q彈的果凍

下一期我們繼續(xù)聊聊超臨界干燥，看看如何做出漂亮的氣凝膠塊。