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）
家庭防疫消毒慎用紫外线设备******
消毒是阻断病毒传播的有效方式之一。近日，随着新冠病毒感染者居家隔离人数的增多，如何有效地消毒成为热议话题。有公众提出，紫外线消毒杀菌率高达99%，用于降低新冠病毒传染致病性0.3秒的时间就足够了。
那么，这种观点是否正确？家庭防疫，用紫外线消毒设备是否靠谱？
深紫外波段可实现杀菌灭活
紫外线位于光谱中紫色光之外，为不可见光。在日常生活中，人们经常利用紫外线杀菌消毒，例如在太阳底下晒被子就是典型的利用紫外线消毒的例子。
中国科学院半导体研究所研究员闫建昌告诉科技日报记者，紫外线可以根据波长，由长到短划分为UVA、UVB、UVC三种波段。由于紫外线的波长与光子能量成反比，因此当紫外线的波长越短时，其光子能量越高，相应的杀菌消毒能力就会越强。
“UVA波段指波长在320—400纳米的紫外线，平时生活中照射到地表的紫外线，大部分是UVA波段，它有一定的抑制细菌的能力。UVC波段指波长在200—280纳米的紫外线，也被称为深紫外波段，这一波段的紫外线能够破坏细菌或病毒的DNA与RNA链条，使其失去复制或繁殖的能力，从而真正实现有效地杀菌灭活。”闫建昌说。
闫建昌认为，正确地使用紫外线可以消灭新冠病毒，但0.3秒内即可降低新冠病毒传染致病性，这种说法并不严谨。
“能否较快较好地消灭病毒，主要是看紫外线的剂量。紫外线的剂量受到紫外线的光功率，即单位面积上光能量大小的影响。同样波长下的紫外线，光功率越高，紫外线的剂量越大，杀菌的时间自然会越短。因此，只有在足够强的光功率下，才有可能实现0.3秒消杀新冠病毒。”闫建昌说。
中国疾控中心环境所研究员沈瑾也指出，一般情况下，传统的紫外线灯消毒作用时间为半小时，尽管近年来紫外线技术有新的发展，但目前还没有系统的、权威的研究或报道显示，0.3秒的时间就可以达到消毒的效果。
紫外线消毒灯存在安全隐患
深紫外波段的紫外线具有较强的杀菌效果。那么在家庭防疫中，用紫外线消毒灯进行消毒是否是一个靠谱的选择？
原武钢二医院外科主任医师、武汉科技大学医学院外科学兼职教授纪光伟指出，紫外线和其他光一样，沿直线传播，穿透能力较差。如果有遮挡物，紫外线消毒灯的杀菌效果就会大打折扣。同时，紫外线消毒灯还存在安全隐患。深紫外波段能够消灭病毒，也能损害人体细胞。“如果使用不当，可能会灼伤眼睛或皮肤，增加患眼部疾病和皮肤癌的风险。”纪光伟说。
此外，闫建昌还指出，当紫外线的波长短于240纳米时，会在空气中激发出臭氧，如果没有及时通风，当臭氧达到一定浓度时，会对呼吸道造成损害。目前在民用和工业领域消毒杀菌应用的深紫外光源大多是汞灯，使用汞元素作为核心发光材料。如果意外破损可能会造成汞泄漏，危害人体健康。
家庭防疫应采取何种消毒方式
除了紫外线消毒灯，一些家用空气消毒机和手持式的LED消毒器也应用了紫外线杀菌技术。据闫建昌介绍，这两种设备具有相对较高的安全性。
“应用了紫外线杀菌技术的空气消毒机，其紫外线的作用环境在消毒机内部，不会存在照射到人的风险。同时，这类产品在上市之前，还需要做紫外线泄露的相关检测，能够保证安全性。”闫建昌说，“LED紫外线手持消毒器紫外线的光功率较低，手持的操作方式也相对安全。同时，部分消毒器还具有红外传感等功能，如果检测到人会停止工作。”
除了紫外线消毒设备外，家庭防疫还可以使用酒精和含氯的消毒液。
纪光伟告诉记者，75%的酒精可以消灭新冠病毒。日常生活中，可以采用涂抹酒精的方式对物体表面进行消毒。“切忌在空气中喷洒酒精消毒，以免遇火而引起火灾。在使用酒精时，还需要避开明火。”纪光伟说。
在含氯的消毒液中，较为常见的产品是84消毒液。纪光伟表示，84消毒液以次氯酸钠为主要成分，物表消毒的浓度一般为3%，具体配比要按照说明书进行操作。在配比完成后，最好采用涂抹的方式进行物表消毒，或直接用消毒液拖地。完成消毒后，需要等待一段时间，再用清水擦拭，去除多余的消毒液。
最后，在居家防疫中，还要避免过度消毒。纪光伟表示，常温条件下新冠病毒在大部分物品表面存活时间较短。在患者居家期间，应加强室内通风，主要做好重点区域，例如共用卫生间和共用物品的消毒。
“我们生活在一个充满微生物的环境中，除了有害的微生物外，还有一些对我们健康有益的微生物。频繁消毒，会影响家里正常菌群的平衡，甚至导致疾病的发生。”纪光伟说。（记者苏菁菁）
