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）
最新研究：1600万年前中国北方与南亚和非洲嵌齿象类直接交流******
中新网北京2月3日电 (记者 孙自法)记者2月3日从中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(中科院古脊椎所)获悉，该所科研人员领导完成的甘肃临夏盆地嵌齿象类生物地层和生物地理研究最新进展显示，在1600万年之前的早中新世，中国北方与南亚和非洲的嵌齿象类组成比较相似，反映出三者之间嵌齿象类可以直接交流。同时，中国与北美动物群在1500万-1300万年前联系密切。
该研究还表明，与中国北方不同，中国东部、日本、东南亚却与西欧的嵌齿象组合相似，均以高度丘型的嵌齿象属为主导。其中，中国东部和日本的代表类群介型嵌齿象有可能是剑齿象科的祖先。
这项嵌齿象类演化、扩散研究的重要成果论文，由中科院古脊椎所王世骐研究员、李春晓博士联合甘肃省博物馆李岩副研究馆员、天津自然博物馆张晓晓馆员共同完成，近日以临夏盆地地层古生物专辑中一篇，在俗称《三古》杂志的国际专业学术期刊《古地理学、古气候学、古生态学》(Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology)发表。
嵌齿象类在早-中中新世的扩散模式和组合特征。 中科院古脊椎所 供图王世骐称，此次研究不但总结了临夏盆地嵌齿象类的演化支系、演化序列及其生物年代学意义，也是嵌齿象类在早-中中新世全球扩散模式的提炼和总结。
他介绍说，嵌齿象类是长颌的丘型乳齿象，中间颊齿有3个齿脊，它自2000万-1900万年前的早中新世从非洲进入欧亚大陆，迅速在全球扩散，在这一过程中产生了单系的豕棱齿象科、铲齿象科和并系的嵌齿象科3个支系，后者为真象的基干类群。这3类嵌齿象主要以下颌和门齿的形态相区别，反映出它们不同的取食方式及适应不同生存环境。
甘肃临夏盆地具有比较完整的、约1900万-1300万年前早中新世晚期-中中新世(除最晚期)的连续地层，其中发现3科4属共8种嵌齿象类化石，为中国同期地层中嵌齿象类多样性最高的地区之一，包括豕棱齿象科的广河“豕棱齿象”；铲齿象科的短吻“原直齿象”、维曼“原直齿象”、同心铲齿象、格氏铲齿象；“嵌齿象科”的窄齿嵌齿象相似种、意外嵌齿象、塔氏嵌齿象。
王世骐指出，对临夏盆地嵌齿象类化石，研究团队揭示出多项专业分类问题，并依据其演化水平将嵌齿象从下至上分为3个组合：
一是最下部的古城动物群包括广河“豕棱齿象”、短吻“原直齿象”、窄齿嵌齿象相似种、意外嵌齿象4种嵌齿象类，可与南亚2000万-1800万年前、非洲1800万-1700万年前地点的嵌齿象组合对比，辅以古城动物群的小哺乳组合，将其时代定为1900万-1800年前。
二是中部的石那奴动物群包括维曼“原直齿象”、同心铲齿象、意外嵌齿象、塔氏嵌齿象4种组合，它们与一些非洲和欧洲早-中中新世之交的动物群有一些相同成分，辅以石那奴动物群的小哺乳组合，将其时代定为1700万-1500万年前，恰对应于中中新气候适宜期。
三是最上部的曾家-老沟动物群仅包括格氏铲齿象和塔氏嵌齿象两种，依据该动物群其他大小哺乳动物组合，将其时代定为1500万-1300万年前，对应中中新气候转折期。该动物群嵌齿象组合独特(铲齿象占绝大多数)，不见于欧洲、非洲、南亚，但与北美稍晚的嵌齿象类有共同成分，包括都具有铲齿象和亚丘型化嵌齿象的组合，这反映出中国与北美动物群在这一时期的密切联系。
王世骐表示，在距今1600万年之后的中中新世，中国北方逐渐出现铲齿象占绝对优势的情形，但铲齿象很少扩散到中国及中亚以外的区域。铲齿象是适宜开阔地带取食草本植物的类群，它的繁盛反映出中国北方及中亚地区由于青藏高原隆升导致开阔生境占据优势的生态特征。此外，北美独有的巨门齿象和真门齿象，虽然缺失下门齿，但它们的颊齿型态可以追溯到中国北方的“原直齿象”属。(完)
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