世界10大新材料之首气凝胶：能耐1900度高温，火星探险都离不开它

美国国家宇航局在2002的时候，成立了一家专门生产气凝胶的公司，只要在宇航服里加入一层气凝胶，宇航员穿上它进行火星探险不在话下。

那么气凝胶是个啥东西，真有这么厉害吗？

我国有没有跟上研究的步伐呢？

2001年4月7日，美国向火星发射“奥德赛”号轨道飞行器，这次任务难度不大，但是探索成果突出，它的观测数据帮助科学家在火星上找到了水的存在。

这一发现让全世界兴奋起来，而美国也把载人登陆火星计划加紧筹划起来，但是登陆火星跟载人登月比起来简直是史诗级的难度。

要想把宇航员送上火星，首先就要给宇航服减重。

为了保障宇航员在外太空的安全，宇航服需要做到防辐射、供氧、热绝缘、抗低温、调节内部温度和提供标准大气压等功能，跟一个人形载人飞船差不多。所以宇航服制造难度大，造价非常昂贵，美国在阿波罗时代设计的月球宇航服，一套价值大约为14亿人民币。

除了贵就是笨重，这样一套航天服重达180斤，宇航员穿上它也就在月球上能走动，在地球上别说迈出“一小步”了，站起来都费劲。

原因就在月球的引力只有地球的六分之一，所以宇航员负重感并不强而火星的引力大约是月球的两倍，这其中的差距就等于是负重30斤和负重60斤的区别。

所以宇航员穿登月宇航服，是没办法在火星上进行长时间的任务。

虽然火星的环境要比月球好太多，但空气稀薄辐射大，而且没有氧气，昼夜温差达到60度左右，所以宇航服要减重，还不能减少功能。

那么只能从材料入手给宇航服减重，美国科学家声称，宇航员将穿上用新型气凝胶宇航服进行火星探险，这种新型宇航服能承受1200度的高温，和零下130度的低温。

美国虽然是个搞霸权的国家，但是在科技这块从来不含糊，气凝胶还真是航空航天领域的黑科技。

气凝胶是一种乳白色的固体材料，内部空间呈纳米级网状孔隙结构，填充介质是空气，说白了就是固体物质包裹着一团特殊状态的空气。

而热传导中导热系数最小的就是空气，再加上气凝胶内部的特殊结构，使导热性能进一步下降，所以它是绝佳的隔热材料，一块一厘米厚的气凝胶，相当于10块普通玻璃的隔热效果。

而且气凝胶密度低质量轻，目前最轻的气凝胶空气含量达99%以上，几乎跟空气的重量没啥区别了。

这些特殊结构的空气对阳光散射比较小，所以气凝胶在阳光下就像蓝色的烟雾，一阵风就能把它吹走。但是你绝对想不到，看似轻薄如烟的气凝胶，其实能承受自身质量几千倍的压力。

气凝胶的特性总结下来就是质量轻、热绝缘和抗压性能强，用气凝胶做宇航服，在保证安全性的前提下，还可以大幅度减重，提升宇航员的舒适度。

不过气凝胶宇航服还排不上用场，美国火星探测器已经成功登陆火星好几次，但是想要把人送上火星，起码还得等个10年以上。

要知道任何航天任务只要多个活人，任务难度直接翻几倍，在不考虑安全性的前提下，燃料就是个大问题。

阿波罗登月的运载火箭是土星五号，起飞重量就达到了3400吨，其中燃料就占到了90%。这还是登月计划，要是载人登陆火星，这点燃料只够零头的。

虽然新型宇航服还排不上用场，但气凝胶凭着优异的隔热性能，已经走出了实验室被应用到各行各业，比如在航空航天和国防军工领域，气凝胶可以作为飞机机舱的隔热层，也可作为高温蒸汽锅炉系统的高效隔热材料。

气凝胶也是各行各业的新材料，把它加入到其他金属或者纺织品等材料中，就如同有魔法一样，将这些传统材料全面加强。

比如气凝胶被压缩后会迅速恢复原状，加上内部的孔状结构，让其具有强大的吸附能力，可以作为理想的新型吸附材料，不但可以吸附油污、有毒气体，还可以吸附水中的铅、水银等重金属，可以用来治理水源污染等问题。

因其优异的热绝缘性能，不少厂家研制出一系列户外御寒用具，比如登山运动员的鞋垫和睡袋，高端化妆品行业也将气凝胶添加到面霜等护肤产品中。除此之外还被应用到化学、建筑工业、电池电力行业等等各行各业。

国际顶尖权威学术杂志《科学》，曾罗列出可以改变世界的十大新材料，其中气凝胶独占10多项世界纪录，位居十大新材料之首。

然而就这么一种神奇的新材料，它被发明出来源于一场赌约。1931年，美国教授奇德勒和同事打了个赌，看谁可以把果冻中的液体换成气体，并且还要保证固体状态。

果冻其实就是一种水凝胶，这是一种极为亲水的三维网络结构凝胶，能保持大量的水分而不溶解，含水量可以高达99%，使其弹性十足又能保持固态。

如何把这些水分替换成空气呢？教授先用酒精替换掉果冻里的水，然后把酒精果冻放入高压灭菌器里，加热到果冻内部酒精气化的临界点，酒精就会变成半液半气状态，专业术语叫“超临界流体”。

这时果冻的固体骨架察觉不到酒精在气化，也就是通常说的“趁它不注意的时候”。最后让多于的气体逸出就得到了气凝胶，教授用这种方法制备了各种材质的气凝胶，并将研究结果发表在《自然》杂志上。

但是不管气凝胶在后来多么有研究价值，它在问世之初并没有得到反响，甚至在之后的30年里，气凝胶的基础研究和实际应用都是处于停滞的状态，最多也就是当做牙膏的添加剂。

直到法国火箭专家在1970年的时候，为了制造火箭燃料存储材料，在奇德勒教授的研究基础上，改进了气凝胶制备方法，用甲醛代替酒精，制造出高质量的硅气凝胶，而且时间也快上不少。

这一次的技术改进让气凝胶走进实际应用，也让更多的人参与到研究当中。有了实验室、实验经费以及任务目标，气凝胶的研究在此后20多年里，搭上了发展的快列车。

作为科学界的常青树，美国肯定又是领先世界，把气凝胶在航天领域运用到了极致，2006年，美国“星尘号”飞船飞回地球，还携带这人类获得的彗星星尘样品。

但要收集彗星星尘并不容易，尽管它们的体积比沙子还小，但是其速度比子弹快六倍，以此速度接触到其它物质时，都会使自身的分子机构发生改变，甚至被高温蒸发掉。而气凝胶可以完美解决这个问题，它就像一个棒球手套，可以有效削减星尘的速度，并让这些尘埃滞留在气凝胶内，科学家最后可以根据撞击轨迹找到这些彗星微粒。

早在1997年的时候，美国就首次把气凝胶用到了火星探测器上，从此气凝胶成为航空航天领域里，不可替代的隔热材料，今年登陆火星的美国“毅力号”火星车，也离不开气凝胶的保驾护航。

火星着陆器在进入火星大气层后，由于速度太快会和空气摩擦产生高温，内部精密仪器被高温破坏的话，着陆器很有可能变成一颗流星烧毁，或者失去控制像打水漂一样被弹出火星大气层。

所以隔热罩里面就添加了气凝胶，它优异的热绝缘性能可以有效保护内部的科学仪器，让着陆器安全抵达火星表面。而且由于火星的恶劣环境，火星车也需要一套定制的“宇航服”，因为超低温环境很可能让火星车“趴窝”。

比如我国的“祝融号”火星车采用的是低温纳米气凝胶材料，主要用于“祝融号”的表面，即使超低温度环境下火星车也可以正常工作，而且气凝胶的质量很轻，几乎不会增加火星车的载荷。

那么像这么能改变世界的新材料，世界各国都在加大力度研发生产，21世纪后，气凝胶的研究主要集中在欧美和日本等国家，美国则是一家独大，全球气凝胶年产量不足10万立方米，但有65%都在美国。

我国气凝胶研发起步虽然比较晚，从90年代才开始投入研发，但是也突破了技术限制，祝融号火星车所使用的气凝胶，是由中国航天科工三院306所研发的。

而浙江大学的科研团队研制的超轻气凝胶，直接刷新了目前世界上最轻材料的纪录，它被称为“全碳气凝胶”，密度比氦气还低，仅为空气的17%，质量只有每立方厘米1.6毫克。

作为世界公认的十大新材料之首，气凝胶拥有无限广阔的应用前景，或许在不久的将来，我们就能住上不用安装空天的气凝胶墙面的房子，在冬天可以防止屋内热量流失，在夏天可以阻隔热气进入屋内。

随着科学家们不断研发，提高气凝胶的性能和简化生产流程，相信这一天会很快到来！