全世界只有3.14 % 的人关注了
爆炸吧知识
小果冻
大难关
开学了,8岁表妹逮着这个机会讹了我一大箱果冻,超模君糊里糊涂就进了这只神兽的套。今天估计是一口气吃了太多,腻了,一边用手敲着果冻一边问超模君:“这果冻这么软,摇摇晃晃怎么就不破呢?”
这可真是个好问题!她数学再好,终究还是个孩子啊!
一颗果冻引起的发现
20世纪20年代,美国有个科学家叫塞缪尔·基斯特勒( Samuel Kistler),他这人好奇心特别强,脑子非常好使,一生仅取得的专利就有60多项。
有一次,QQ弹的果冻引起了他的注意,他觉得果冻之所以呈凝胶状,并非由于它的液体属性,而是结构所致,这个结构特指纳米微孔网络。
“纳米微孔网络”可以简单解释为“骨架”和“容器”的结合体。
换句话说,果冻中的“液体”其实是由一个“骨架”撑着,类似于装在一个“容器”中,这才有了我们肉眼看见的果冻。基斯特勒的同事Charles Learned觉得这太荒谬了,于是两人就打了一个赌。
证明谁对谁错的方法很简单,既然基斯特勒觉得“果冻水”是由“骨架”支撑,那把液体蒸发掉不就只剩下“骨架”了吗?
然后再让空气代替液体填满这个“骨架”,要是“果冻”还能胖起来,那基斯特勒就是对的。
简单理解:气球装水和气球装空气的区别
最后,经过多次实验失败,基斯特勒竟然成功用气体代替液体,创造了一种呈现凝胶状且不含任何液体的物质!
1931年,基斯特勒在Nature杂志上发表《共聚扩散气凝胶与果冻》标志着气凝胶的发现。也正是基斯特勒首次通过乙醇超临界干燥技术,制备出世界上第一块气凝胶—SiO2气凝胶。
气凝胶
说了这么多,这就让大家看看气凝胶长什么样:
图源:veritasium
在浅色背景下,它透明到几乎看不见。一旦背景变深,它就有了蓝色烟雾般的飘渺感。
这样一看,是不是觉得一点也不像“凝胶”?这分明就是一个固体啊!
事实上,气凝胶就是目前世界上最轻的固体。
在成为上面的固体之前,它至少从外表上看起来还像个“果冻”。
图源:veritasium
如上图所示的“冻”,其中97%是酒精,剩余3%是二氧化硅。由“冻”到气凝胶的变化中的关键一步就是用什么东西趁“骨架”不注意把酒精替换掉,这个幸运落在了“液态二氧化碳”身上。
液态二氧化碳具有不易燃的优点,而且它具有较低的临界温度,一旦液态二氧化碳填充了凝胶中的所有空隙,就把它变为超临界状态。
高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。处于超临界状态时,气液两相性质非常接近,以至于无法分辨。
纳米微孔网络
随后二氧化碳从液体变为气体流出,而不影响固体结构,最后形成气凝胶。
单纯从这个点来看,这个东西有点像海绵,吸水和挤水后没什么太大的变化。
不过,气凝胶可比海绵厉害多了。
气凝胶特性
不同于海绵对水的来去无所谓,气凝胶对水那叫一个亲,哪怕为此破坏自己的结构也心甘情愿。
图源:veritasium
但是亲水性太强并不利于实用,一沾水就坏的东西只会限制它才能的施展。而且,没经过处理的气凝胶会使人的皮肤脱水、干裂,而其自身也会因水分的存在而变性、开裂,甚至粉化。
亲水性:指带有极性基团的分子,对水有较大的亲和能力,可以吸引水分子,或易溶解于水。
所以,为了让气凝胶能够在更广阔的领域中发挥作用,科学家一般都会对气凝胶的孔洞内表面进行化学修饰,用一种基团来取代羟基中的氢,从而使其内表面获得疏水性。这样就可以保证它的性能,延长寿命和提高使用价值。
图源:veritasium
解决了亲水性问题后,气凝胶的强大特性再也无法被忽视了。
就冲它在温度达到1200℃时才会熔化这个特性,就已经把许多材料给比了下去。
此外它的导热性和折射率也很低,绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。
导热系数是衡量材料隔热效果的一个参数,该参数越低,隔热效果越好。SiO2气凝胶是目前世界上导热系数最低的材料,没有之一,它的常温导热系数可以做到0.018W/m·K。
前文我们提到过,在成为“水凝胶”前,液体占比高达90%以上,当这些液体被气体替换后,可想而知它会“轻”多少。相同体积下,真空测量后,气凝胶比空气还要轻,密度也比空气密度更低,这也是它被称为世界上最轻的固体的原因。
如此轻、耐高温和绝缘性强,气凝胶的前途明显不可限量啊!
但是,它高昂的造假成本也拖累了气凝胶的应用速度。
它第一次工业化发生在1940年代初期,美国孟山都公司(MonsantoCorp.)与基斯特勒合作生产的名为Santocel的气凝胶粉末,用于化妆品、硅橡胶添加剂,凝固汽油增稠剂等。然而,由于高昂的制造成本和应用开发的滞后性,孟山都公司终止了该气凝胶1970年代的项目。
孟山都公司基于气凝胶产品Santocel的宣传图,1948年
随着生产工艺的改良,气凝胶的商业价值凸显,并广泛应用各种领域。有钱的NASA早在1997年就把气凝胶应用于火星探路者号的电子箱绝缘。
火星探路者号
2006年,“星辰”号就已经用气凝胶包裹着星际和彗星尘埃颗粒带回了地球。
当“星尘”遇到彗星时,这些尘埃的飞行速度将达到6倍。步枪子弹的速度。为了收集这些细小的颗粒(每个颗粒都小于沙粒),气凝胶将逐渐将它们减速至停止,而不会损坏它们或改变其形状和化学组成。
星尘公司的气凝胶是由JPL开发和制造的。它在粒子遇到气凝胶的撞击面上密度较小,但随着粒子钻得更深并减速到停止,密度逐渐增加。这与在眼镜中使用渐进镜片的概念类似。
气凝胶标记颗粒进入的轨迹,图源NASA官网
科技进步的速度越来越快,近几年,有实验表明利用“气凝胶”制造的外套,即使在零下196摄氏度的环境中,依旧能保持32摄氏度的体温,这保暖性能远超羽绒服。
(友情提醒:有网友说目前上市的气凝胶防寒服并没有宣传的那么好。)
但是,衣服不好,并不能否定“气凝胶”本身的隔热、绝缘优势。
气凝胶作为一种优良的隔热装置,它的超隔热气泡结构几乎完全抵消了三类热传递方式。
研究表明,以气凝胶为原料的隔热装置,如果用于墙构架或者类似窗户遮雨板这些难以隔热的区域,能够帮助住户每年省下 750 美金的费用。除了省钱,气凝胶隔热装置可以帮助大大降低碳排放量。
试想,如果这样的装置能够送到我国西藏边区,边防士兵和百姓必将能少受一些寒冷,如果能够普及,冬天的雾霾必将会慢慢消散。
遗憾的是,高昂的成本仍旧不足以满足大规模生产。
不过,超模君相信,这一难关终将被攻破,科学从来不会让人失望,时间一到,惊喜必来!
写在最后
用理性思维寻找解决问题的新角度,更加通俗易懂的感受数理之美,做到真正的寓教于乐!
《数学之旅·闪耀人类的54个数学家》
数学艺术礼盒
指导价219
现在只需139
再+19元
买就送数理文化“鼠标垫”
预购从速!!!
(点击小程序,即可购买)
作者简介:超模君,数学教育与生活自媒体博主,新晋理工科奶爸。出版有《芥子须弥 · 大科学家的小故事》;推出过有数学界收藏价值的《数学之旅·闪耀人类的54个数学家》。
本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容
参考来源:
veritasium·YouTuBe
转载请在公众号中,回复“转载”
超模君每周分享来袭
????????????
“整整600页!国家奥数教头主编教材”
扫描上方二维码
回复“600”领取资料全文