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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）

瑞士留学剪影（走近非热门留学国(12)）******

　　陆晋（右二）与瑞士洛桑联邦理工学院的同学一起举办活动。受访者供图

　　马铭萱近照。受访者供图

　　瑞士位于欧洲中部，有“世界花园”“钟表王国”等美称。在高等教育领域，瑞士大学数量众多，其中苏黎世大学、苏黎世联邦理工学院、洛桑联邦理工学院等在欧洲及世界范围享有盛誉。近日，本报记者采访了几名中国留学生，听听他们在瑞士的留学故事。

　　优质的教学资源

　　陆晋在瑞士洛桑联邦理工学院学习金融工程。据陆晋介绍，苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院共同组成了瑞士联邦理工学院，是世界上著名的工学院之一，有着举足轻重的科学影响力。“其中，洛桑联邦理工学院有雄厚的师资力量和卓越的科研平台，培养了不少各行业人才。我认为来此留学可以拓宽视野，享受高质量的学习环境。”

　　“瑞士的公立大学不仅教学质量高，学费也很便宜。”就读于苏黎世大学的马铭萱说，“以我所学的银行与金融专业为例，每学期学费折合人民币约5000元，比欧美高校便宜得多。”

　　“苏黎世大学世界排名靠前，项目课程安排扎实。在120个学分中，必修课、学术论文、选修课各有占比，我认为能学到很多东西。”马铭萱说，“硕士期间我印象很深的一门课是计量经济学和机器学习。这门课很有难度，每次我至少要花15小时完成作业。为了充分利用时间，我常在睡觉前就让代码开始运行，然后伴着电脑的嗡鸣声入睡，醒来之后查看代码结果。付出终有回报，结课时教授提出给坚持下来的同学写申请攻读博士的推荐信。”

　　在陆晋看来，瑞士有安全、稳定的社会环境，留学生活省心。“瑞士治安总体良好，居民生活安定，对中国留学生友好欢迎。此外，瑞士民众很看重诚信。有一次我在一家文具店买明信片，结账时店员不记得明信片的价格，她便直接问我，我回答后就顺利结账。”

　　灵活的选课制度

　　“洛桑联邦理工学院的课程设置很灵活。每个专业都设有大量的选修课，以便学生按自己的兴趣和职业发展方向提升。”陆晋说，“除了上金融必修课外，我还想学数据处理方面的知识，因此选了机器学习、人工智能方向的课，拓展了个人技能。此外，在多样的选修课中可以认识各专业的同学，这有助于打开我的交际圈。”

　　马铭萱对此有同样体会，她说：“我的选修课学分约占总学分的一半，选课的自由度很高。此外，苏黎世大学和苏黎世联邦理工学院距离近，学生还可以跨学校选课，比如我曾在苏黎世联邦理工学院上过公共经济学课，所修学分在苏黎世大学也受认可。”

　　马铭萱说：“在苏黎世大学，经济与金融系常组织学术讲座与论坛，帮助我们了解前沿的学术研究。有一次讲座请来了八九位教授，每位教授在5分钟内快速介绍自己的研究项目。我觉得这种讲座形式新颖，短时间深入浅出的讲解能抓住听众的注意力，引发学习兴趣，而且我可以一次听到八、九个研究主题，收获满满。”

　　陆晋以金融工程专业为例介绍了洛桑联邦理工学院为学生提供的实习机会。“学生需要完成6个月的实习任务。学校许多教授在行业内有广泛的人脉，他们能向企业争取到不错的实习岗位。除此之外，学校还有强大的校友网络，他们毕业后就职于各大公司，有招聘需求时就会和学校联系。”陆晋说。

　　感受瑞士生活

　　利用课余时间，马铭萱游览了瑞士不少地方，深入了解了当地的风土人情。她说：“瑞士的湖泊星罗棋布，我曾去过卢塞恩湖，它位于瑞士中部，湖水清澈，湖岸线蜿蜒曲折，景色如画。苏黎世周边的湖光山色美不胜收，当地人喜欢在周末徒步，亲近自然。”

　　“瑞士盛产巧克力，种类丰富，包装精美，很适合作为节日礼物。”马铭萱说，她曾参观过当地的巧克力博物馆。“这个博物馆很有意思，游客除了能了解巧克力的原料、生产历史、加工工艺外，还可以亲手制作巧克力，在上面绘制自己喜欢的图案，趣味横生。”

　　马铭萱对瑞士的圣诞节印象深刻，她说：“每年11月末，苏黎世的各大广场会举行圣诞集市，集市上的各个小商铺装饰精美，氛围感十足，供应热红酒、瑞士奶酪等美食。学校会组织‘神秘圣诞老人’活动，每名参与者准备好小礼物，交给活动‘小秘书’，等到圣诞节时‘小秘书’会随机向参与者发放礼物。由于大家在此之前并不知道谁是自己的‘圣诞老人’，心怀好奇和期待。”

　　陆晋在上学期间加入了洛桑联邦理工学院中国学生协会，参加了不少校园活动。“学校在2022年3月举办了‘世界文化节’，各国家的学生社团有专属一天展现本国文化的机会。为了展示中华文化的魅力，我们准备了‘看字猜意义’的活动，向参与者展示象形文字，让其猜测其意义，答对者可以领取免费中餐小食一份。此外，我们还准备了水印书法字帖供参与者临摹，中外同学纷纷上前尝试，活动现场热闹非凡。”陆晋说。

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）