“最轻固体”气凝胶的诞生之路

气凝胶是一种具有高孔隙率及低导热系数的轻质多孔材料，是目前已知的密度最低的固体，每立方厘米只有0.16毫克，其中98 %的体积都是空气，甚至如果把里面的空气抽成真空，会得到比空气还轻的固体。不过气凝胶最出圈的性质还是超低的导热系数，常温下比静止的空气更低，只有0.015 W/(m·k)，这两个特质都是来源于气凝胶的特殊三维网络结构，而促使气凝胶的发明却是来源于80年前两个科学家之间的一场“赌局”。

Samuel Kistler与同事画像

1931年，美国加州太平洋大学的Samuel Kistler与同事打赌，提出要证明一种具有相同尺寸的连续网络结构的固体凝胶，形状与湿凝胶一致，打个比方就是将果冻里面的液体取出但是又不影响整体结构，有人要问了，这也能让两个科学家赌上一顿午餐吗？我直接把果冻扔到烤箱里把水烧开了就好啦。然而要想保持凝胶的结构，简单地让湿凝胶干燥是不行的，凝胶将会严重开裂并且收缩，最终破碎成小碎片。Kistler推测凝胶收缩破碎的原因是当液体从微孔中蒸发时，固液界面存在较大的毛细管作用及表面张力，拉扯孔洞内壁，使得脆弱的凝胶微孔结构坍塌。

凝胶在空气中因为内部液体蒸发逐渐开裂

一段时间后体积收缩破碎

Kistler尝试了很多种方法，最终通过溶剂置换，将凝胶中的水替换成乙醇后，再在密闭容器中施加高温高压（243 ℃，6.38 MPa），使得乙醇达到超临界状态，消除了固液之间的表面张力，第一次成功地将液体从凝胶中排除而保留了完整的凝胶微孔结构，最终的成果发表在Nature上，标题为《共聚扩散气凝胶与果冻》，至此，气凝胶终于诞生了！（压力果然可以激发潜能~）

溶剂置换，在浓度差及渗透压力下把水换成乙醇

升温升压

呈现淡蓝色透明的气凝胶块体

气凝胶内部多孔结构

为什么通过将乙醇加热加压到超临界状态就能制备得到气凝胶呢？这是因为超临界流体既不是液体也不是气体，但是又同时具有液体跟气体的特性，处于这种特殊状态的液体如乙醇将会变成烟一样四处飘散，气液界面小时，此时将不再有固液界限或气液界限，那么导致凝胶收缩破碎的表面张力或毛细管作用将不复存在，微孔中留存的液体都能非常顺利的、几乎无阻碍地从孔洞中逃逸到环境中，实现湿凝胶的干燥。

   达到超临界的一刻

  说了那么多气凝胶的起源，那么问题来了，果冻到底是固体还是液体？超临界流体是液体还是气体呢？

Q弹的果冻

下一期我们继续聊聊超临界干燥，看看如何做出漂亮的气凝胶块。