论文部分内容阅读
夏天来了，天气越来越热，然而，就在我们抱怨这恼人的阳光时，对于那些极地科考的科学家、攀登雪山的探险者、遨游太空的宇航员来说，寒冷仍然伴随着他们左右。不妨回忆一下，在阴冷的冬日里，气温降到0℃以下，我们裹着羽绒服，戴着手套、帽子，仍然会禁不住地瑟瑟发抖。而这些勇敢的冒险家们所要面对的，是更低的气温、更严酷的环境，他们又该如何在严寒中保持温暖呢？
最近，国外一家科技公司研发了一款神奇的防寒外套，这款外套的厚度只有3毫米，重量也只有大约1千克，但是保暖效果却可以媲美40毫米厚的羽绒衣，可以完美地解决寒冷地区人们的保暖问题，甚至可以帮助宇航员在太空中抵御严寒。而这款防寒外套的神奇之处，就是它所采用的“气凝胶材料”。那么，什么是气凝胶，气凝胶又是怎样实现超强保暖能力的呢？
衣服切断热量传递的3种途径
在此之前，我们必须先对温暖和寒冷的感觉有一个基本的认识。我们之所以能够感受到温暖或寒冷，是由于我们的身体和外界环境之间发生了热量的传递，而在自然界中，热量的传递有3种方式，热传导、热辐射和热对流。简单来说，当我们端起一杯热水，感觉杯子很烫，是由于杯子和手直接接触发生了热传导；当我们舒服地晒着太阳，感觉浑身暖洋洋的，这归因于太阳向我们输送的热辐射；而当空调的暖风不断给房间加热的时候，则是空气的热对流给我们带来了热量。当环境向我们的身体传递热量时，我们就会感到温暖，而当我们身上的热量向环境中流失时，我们就会感到寒冷。我们的身体是个不断发热的恒温体，防寒外套的使命就是阻碍我们的身体向环境释放热量。
我们冬天穿的棉衣或者羽绒服，摸起来都是柔软蓬松的，用力一捏就会明显缩小。这是因为它们内部填充的棉花或羽绒，都是由许许多多极细的棉花纤维或者羽绒纤维搭接堆积而成的，它们的结构都是疏松多孔的，其中吸收了很大比例的空气。而空气本身就是一种隔热能力非常强的物质，家里用的双层玻璃，或是暖水瓶的双层内胆，都是利用一层被封装起来的空气来隔热的。在棉衣或者羽绒服中，沿着曲折蜿蜒的纤维，热传导是缓慢而低效的；相互交织的纤维层层叠叠，热辐射被不断地反射，难以通过；而蓬松复杂的结构还把内部的空气分割成了无数细小的气孔，空气的通过和热对流也被抑制了。热量传递的3种途径都被切断，这就是棉衣和羽绒服保暖的原理。蓬松的毛衣或羊绒衫的保暖能力也是源于类似的内部结构。
相反的，当棉衣或羽绒服被雨水或是雪花打湿的时候，纤维结构被水压缩，变得不再蓬松，内部吸收的空气也被水代替了。而水的传热能力很强，因此打湿的衣服不再保暖，而是让我们觉得格外寒冷。
气凝胶的保暖能力为何更强
那么，和棉花、羽绒相比，气凝胶的隔热能力又是怎样的？要回答这个问题，我们还需要明白凝胶的概念。
其实，凝胶是一种很常见的物质，很多人喜欢吃的果冻，就是一种典型的凝胶，在加热的果汁中加入一些食用胶，不断搅拌混合均匀，再慢慢冷却，让食用胶凝固，就制成了简单的果冻。工业生产中，凝胶大多也都是从溶液变化而成，溶液中的胶体颗粒或是高分子在一定条件下互相连接，形成一种与棉花、羽绒类似的空间网络结构，而溶剂填满这些网络结构之间的孔隙，就形成了凝胶。如果溶剂是水，那么这种凝胶被称为水凝胶，如果溶剂是空气，那么这种凝胶就是气凝胶。
气凝胶中的绝大部分都是空气，目前最先进的气凝胶中的空气含量超过99.8%，因此它还被称为空气胶、固态烟雾或是蓝烟。显然，气凝胶中的空气含量远远高于棉花或者羽绒，因此隔热能力更强。另一方面，超高的空气含量也使相同体积的气凝胶重量比棉花和羽绒轻得多，这样就可以制成更轻更薄更方便的防寒外套。此外，气凝胶中的纤维比棉花纤维和羽绒纤维更细更有韧性，纤维之间的孔隙也更小，这些不但进一步增强了气凝胶的隔热能力，还提高了它的弹性。经过特殊工艺处理的气凝胶还可以防水，全面保护我们的身体。
所以说，气凝胶和棉花或者羽绒的保暖原理基本相同，只是其中的空气含量更高，纤维更细，所以保暖能力更强，制成防寒衣物后也更轻便、更保暖。先进的气凝胶防寒外套在-196℃的液氮环境下，仍然能够保持内部温度在30℃以上，这足以保护宇航员在太空极寒条件下顺利执行任务。
气凝胶的神奇远不止这些
然而，气凝胶能做的远不止于此。早在1931年，美国就有科学家成功地通过水解水玻璃的方法制备了二氧化硅气凝胶。可笑的是，这位开创了历史的科学家居然是因为和朋友打赌才巧合地发明了气凝胶。这之后的近百年来，随着人们的探索和钻研，气凝胶的家族不断壮大，现在已经发展出了碳气凝胶、硫气凝胶、金属气凝胶和氧化物气凝胶。同时，气凝胶中的胶体纤维越来越细，其中的气体含量越来越高，性能也向更低密度、更强韧性、更耐高温的方向不断发展。
时至今日，气凝胶正在各行各业发挥着它们的神奇能力。硅气凝胶可以承受1 200℃的高温，是出色的隔热材料。碳气凝胶是世界上最轻的物质，看似弱不禁风，实则坚固耐用，能够制成防弹衣或者防弹装甲，保护我们的安全。此外，气凝胶中的孔隙还能够吸收水中和空气中的污染物，清除海上的石油泄漏，净化空气中的雾霾颗粒，为环境保护和人类健康贡献力量。此时此刻，还有更多的气凝胶产品正在宇宙空间站上，在科学实验器械上，在工业化生产线上，也在我们身边不起眼的角落里，悄悄地为人类造福。这些神奇的气凝胶背后，是无数科研工作者辛勤的汗水和不懈的钻研，其中当然也少不了中国科学家的贡献。
同学们可以想象一下，十年，或者二十年后，当我们的消防队员脱下沉重的耐火服，换上由你们开发的轻薄耐热的气凝胶战斗服，在火场中奔走；当我们的边防战士换下被雨雪打湿的棉鞋，换上由你们设计的保暖防水又透气的气凝胶防寒靴，在严寒中驻守；当我们的宇航员脱下臃肿的宇航服，穿上由你们制作的贴身便捷的气凝胶太空服，在太空中遨游，这将会是一番多么美好的景象！而未来的未来，气凝胶材料还有哪些神奇的应用，就等着你们去探索和发现了。
最近，国外一家科技公司研发了一款神奇的防寒外套，这款外套的厚度只有3毫米，重量也只有大约1千克，但是保暖效果却可以媲美40毫米厚的羽绒衣，可以完美地解决寒冷地区人们的保暖问题，甚至可以帮助宇航员在太空中抵御严寒。而这款防寒外套的神奇之处，就是它所采用的“气凝胶材料”。那么，什么是气凝胶，气凝胶又是怎样实现超强保暖能力的呢？
衣服切断热量传递的3种途径
在此之前，我们必须先对温暖和寒冷的感觉有一个基本的认识。我们之所以能够感受到温暖或寒冷，是由于我们的身体和外界环境之间发生了热量的传递，而在自然界中，热量的传递有3种方式，热传导、热辐射和热对流。简单来说，当我们端起一杯热水，感觉杯子很烫，是由于杯子和手直接接触发生了热传导；当我们舒服地晒着太阳，感觉浑身暖洋洋的，这归因于太阳向我们输送的热辐射；而当空调的暖风不断给房间加热的时候，则是空气的热对流给我们带来了热量。当环境向我们的身体传递热量时，我们就会感到温暖，而当我们身上的热量向环境中流失时，我们就会感到寒冷。我们的身体是个不断发热的恒温体，防寒外套的使命就是阻碍我们的身体向环境释放热量。
我们冬天穿的棉衣或者羽绒服，摸起来都是柔软蓬松的，用力一捏就会明显缩小。这是因为它们内部填充的棉花或羽绒，都是由许许多多极细的棉花纤维或者羽绒纤维搭接堆积而成的，它们的结构都是疏松多孔的，其中吸收了很大比例的空气。而空气本身就是一种隔热能力非常强的物质，家里用的双层玻璃，或是暖水瓶的双层内胆，都是利用一层被封装起来的空气来隔热的。在棉衣或者羽绒服中，沿着曲折蜿蜒的纤维，热传导是缓慢而低效的；相互交织的纤维层层叠叠，热辐射被不断地反射，难以通过；而蓬松复杂的结构还把内部的空气分割成了无数细小的气孔，空气的通过和热对流也被抑制了。热量传递的3种途径都被切断，这就是棉衣和羽绒服保暖的原理。蓬松的毛衣或羊绒衫的保暖能力也是源于类似的内部结构。
相反的，当棉衣或羽绒服被雨水或是雪花打湿的时候，纤维结构被水压缩，变得不再蓬松，内部吸收的空气也被水代替了。而水的传热能力很强，因此打湿的衣服不再保暖，而是让我们觉得格外寒冷。
气凝胶的保暖能力为何更强
那么，和棉花、羽绒相比，气凝胶的隔热能力又是怎样的？要回答这个问题，我们还需要明白凝胶的概念。
其实，凝胶是一种很常见的物质，很多人喜欢吃的果冻，就是一种典型的凝胶，在加热的果汁中加入一些食用胶，不断搅拌混合均匀，再慢慢冷却，让食用胶凝固，就制成了简单的果冻。工业生产中，凝胶大多也都是从溶液变化而成，溶液中的胶体颗粒或是高分子在一定条件下互相连接，形成一种与棉花、羽绒类似的空间网络结构，而溶剂填满这些网络结构之间的孔隙，就形成了凝胶。如果溶剂是水，那么这种凝胶被称为水凝胶，如果溶剂是空气，那么这种凝胶就是气凝胶。
气凝胶中的绝大部分都是空气，目前最先进的气凝胶中的空气含量超过99.8%，因此它还被称为空气胶、固态烟雾或是蓝烟。显然，气凝胶中的空气含量远远高于棉花或者羽绒，因此隔热能力更强。另一方面，超高的空气含量也使相同体积的气凝胶重量比棉花和羽绒轻得多，这样就可以制成更轻更薄更方便的防寒外套。此外，气凝胶中的纤维比棉花纤维和羽绒纤维更细更有韧性，纤维之间的孔隙也更小，这些不但进一步增强了气凝胶的隔热能力，还提高了它的弹性。经过特殊工艺处理的气凝胶还可以防水，全面保护我们的身体。
所以说，气凝胶和棉花或者羽绒的保暖原理基本相同，只是其中的空气含量更高，纤维更细，所以保暖能力更强，制成防寒衣物后也更轻便、更保暖。先进的气凝胶防寒外套在-196℃的液氮环境下，仍然能够保持内部温度在30℃以上，这足以保护宇航员在太空极寒条件下顺利执行任务。
气凝胶的神奇远不止这些
然而，气凝胶能做的远不止于此。早在1931年，美国就有科学家成功地通过水解水玻璃的方法制备了二氧化硅气凝胶。可笑的是，这位开创了历史的科学家居然是因为和朋友打赌才巧合地发明了气凝胶。这之后的近百年来，随着人们的探索和钻研，气凝胶的家族不断壮大，现在已经发展出了碳气凝胶、硫气凝胶、金属气凝胶和氧化物气凝胶。同时，气凝胶中的胶体纤维越来越细，其中的气体含量越来越高，性能也向更低密度、更强韧性、更耐高温的方向不断发展。
时至今日，气凝胶正在各行各业发挥着它们的神奇能力。硅气凝胶可以承受1 200℃的高温，是出色的隔热材料。碳气凝胶是世界上最轻的物质，看似弱不禁风，实则坚固耐用，能够制成防弹衣或者防弹装甲，保护我们的安全。此外，气凝胶中的孔隙还能够吸收水中和空气中的污染物，清除海上的石油泄漏，净化空气中的雾霾颗粒，为环境保护和人类健康贡献力量。此时此刻，还有更多的气凝胶产品正在宇宙空间站上，在科学实验器械上，在工业化生产线上，也在我们身边不起眼的角落里，悄悄地为人类造福。这些神奇的气凝胶背后，是无数科研工作者辛勤的汗水和不懈的钻研，其中当然也少不了中国科学家的贡献。
同学们可以想象一下，十年，或者二十年后，当我们的消防队员脱下沉重的耐火服，换上由你们开发的轻薄耐热的气凝胶战斗服，在火场中奔走；当我们的边防战士换下被雨雪打湿的棉鞋，换上由你们设计的保暖防水又透气的气凝胶防寒靴，在严寒中驻守；当我们的宇航员脱下臃肿的宇航服，穿上由你们制作的贴身便捷的气凝胶太空服，在太空中遨游，这将会是一番多么美好的景象！而未来的未来，气凝胶材料还有哪些神奇的应用，就等着你们去探索和发现了。
