气凝胶

气凝胶是一类由凝胶衍生出来的合成多孔超轻材料，其中凝胶的液体成分已被气体取代，而凝胶结构没有明显崩溃。其结果是一种具有极低密度和极低导热性的固体。气凝胶可以由各种化学成分制成。硅胶气凝胶摸起来像脆弱的发泡聚苯乙烯，而一些聚合物基的气凝胶摸起来像刚性的泡沫。

第 一个有记载的气凝胶的例子是由塞缪尔-斯蒂芬斯-基斯勒在1931年创造的，这是与查尔斯-利尼德打赌的结果，赌的是谁能用气体取代果冻中的液体而不引起收缩。

气凝胶是通过超临界干燥或冷冻干燥提取凝胶的液体成分而产生的。这使得液体可以被缓慢地干燥，而不会像传统蒸发那样导致凝胶中的固体基质因毛细管作用而坍塌。第 一个气凝胶是由二氧化硅凝胶生产的。Kistler的后期工作涉及基于氧化铝、铬和二氧化锡的气凝胶。碳气凝胶是在20世纪80年代末首次开发的。

尽管有这个名字，气凝胶是固体、坚硬和干燥的材料，其物理特性并不像凝胶：这个名字来自于它们是由凝胶制成的事实。轻轻按压气凝胶通常不会留下哪怕是轻微的痕迹；更用力地按压会留下一个永 久性的凹陷。极为用力的按压会导致稀疏结构的灾难性破裂，使其像玻璃一样碎裂（这种特性被称为易碎性），尽管更多的现代变体不会出现这种情况。

尽管它很容易破碎，但它的结构非常坚固。它令人印象深刻的承重能力是由于树枝状的微观结构，在这种结构中，平均尺寸为2-5纳米的球形颗粒被融合成团块。这些团块形成了一个几乎是分形链的三维高度多孔结构，孔隙略低于100纳米。在制造过程中，孔隙的平均尺寸和密度可以得到控制。

气凝胶是一种99.8%为空气的材料。气凝胶有一个包含气穴的多孔固体网络，气穴占据了材料中的大部分空间。固体材料的匮乏使气凝胶几乎没有重量。

气凝胶是良好的热绝缘体，因为它们几乎抵消了三种传热方式中的两种--传导（它们主要由绝缘气体组成）和对流（微观结构阻止了气体净运动）。

它们是良好的传导性绝缘体，因为它们几乎完全由气体组成，而气体是非常差的热导体。(二氧化硅气凝胶是一个特别好的绝缘体，因为二氧化硅也是一个很差的热导体；另一方面，金属或碳气凝胶则不太有效)。它们是良好的对流抑制剂，因为空气不能通过晶格循环。气凝胶是不良的辐射绝缘体，因为红外辐射（传递热量）会通过它们。

由于它的吸湿性，气凝胶感觉很干燥，可以作为一种强大的干燥剂。长期处理气凝胶的人应戴上手套，以防止皮肤上出现干脆的斑点。

它的轻微颜色是由于纳米级树枝状结构对较短波长的可见光的瑞利散射。这导致它在黑暗的背景下呈现出烟熏的蓝色，在明亮的背景下呈现出淡黄色。

气凝胶本身是亲水的，如果它们吸收了水分，它们通常会发生结构变化，如收缩，并恶化，但可以通过化学处理使它们变成疏水的，从而防止退化。与只有外层疏水层的气凝胶相比，具有疏水内层的气凝胶更不容易降解，特别是当裂缝穿透表面时。

气凝胶的热导率可能小于它们所含气体的热导率。这是由克努森效应引起的，当包含气体的空腔的大小与平均自由路径相当时，气体的热导率就会降低。实际上，空腔限制了气体颗粒的运动，除了消除对流之外，还降低了热导率。

例如，在STP和大容器中，空气的热导率约为25 mW-m-1-K-1，但在直径为30纳米的孔隙中则下降到约5 mW-m-1-K-1。

气凝胶结构由溶胶-凝胶聚合产生，即单体（简单分子）与其他单体反应，形成溶胶或由粘合、交联的大分子组成的物质，其间有液体溶液沉积。当该物质被严格加热时，液体蒸发，留下粘结的、交联的大分子框架。