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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）

我国大部地区将出现寒潮雨雪天气******

　　一、天气实况

　　1、国内实况

　　昨日新疆北部出现降雪和大风降温天气 今晨河南山东江苏等地有大雾

　　昨日08时至今日06时，新疆伊犁及沿天山地区等地出现中到大雪，乌鲁木齐和克拉玛依局地暴雪（10～11毫米）；广西东部和南部、广东中西部、海南岛东南部以及台湾岛东部等地部分地区出现中雨或大雨，局地暴雨（50～66毫米）。

　　今日05时较昨日05时，新疆北部等地出现6～10℃降温，局地降幅超过12℃；上述地区及甘肃西部等地有7～9级、局地10～12级阵风。

　　今晨，河南、山东、安徽中北部、江苏及四川盆地西部等地出现部分地区能见度不足1公里的大雾，河南中部、山东南部、江苏北部等局地不足100米。另外，新疆东部和南疆盆地出现沙尘天气，局地沙尘暴。

　　2、国外实况

　　(1) 西伯利亚南部欧洲中南部有较强雨雪

　　过去24小时，东欧东部、大高加索地区、西伯利亚中南部、远东地区中南部、贝加尔湖地区、哈萨克丘陵南部、伊朗高原北部、阿拉斯加地区、五大湖地区等地出现小到中雪，局地大到暴雪；西欧南部、中欧东部和南部、南欧东部、美索不达米亚平原南部、中南半岛南部、菲律宾群岛中南部、大巽他群岛、新西兰北岛、美国西部沿岸、巴西高原南部等地部分地区出现小到中雨，局地大到暴雨。

　　(2) 北美气温偏高 东欧中亚气温偏低

　　过去24小时，北欧、南欧东部、蒙古高原、贝加尔湖地区、加拿大中西部、美国北部、阿根廷中部等地日平均气温较常年同期偏高4~8℃，局地偏高10℃以上；东欧大部、中亚、西伯利亚北部日平均气温较常年同期偏低6~10℃，局地偏低12℃以上。

　　二、重点天气预报

　　1、国内重点天气

　　我国大部地区将出现寒潮雨雪天气

　　受强冷空气及南支槽影响，12日至15日，我国大部地区将先后出现雨雪及大风降温天气。其中西北地区东部、华北、东北地区大部、黄淮、江淮、江汉、西南地区东部、江南北部等地将有小到中雨转小到中雪或雨夹雪，部分地区大雪，局地暴雪；江南中南部、华南等地有小到中雨，部分地区大雨，局地暴雨，部分地区伴有雷电天气。1月12日08时至1月16日08时，寒潮天气将自西向东影响我国大部地区，其中，12日主要影响西北地区，13日至15日影响我国中东部地区。我国大部地区气温将先后下降8～12℃，其中，新疆沿天山以北、甘肃西部和中南部、内蒙古中东部、东北地区、江汉东部、江淮、江南、华南北部、贵州等地降温14～18℃，内蒙古中东部、黑龙江东部、吉林东部、辽宁东北部等地的部分地区降温超过20℃，并伴有4～6级、阵风6～8级的大风，新疆山口风力可达9～11级或以上。东部和南部海区有7～9级风，阵风可达10～11级。降温过后，17日早晨，最低气温0℃线将南压至云南东部至贵州南部、湖南南部、福建北部、浙江东部一线（见图1）。

　　1月12日08时至1月14日08时，新疆沿天山以北、甘肃大部、宁夏、陕西北部、内蒙古大部、东北地区等地部分地区将先后降温8～12℃，其中，新疆沿天山以北、内蒙古中东部、黑龙江中东部、吉林东部、辽宁东北部等地部分地区降温14～16℃，局地可超过18～20℃。新疆东部、甘肃中西部、内蒙古大部、东北地区、华北等地有6～8级大风，新疆山口风力可达9～11级或以上。东部海区有7～9级风，阵风可达10～11级。新疆东部和南部、青海西北部、甘肃西部和东部、内蒙古西部、宁夏、陕西北部等地有扬沙或浮尘，局地有沙尘暴（见图2）。中央气象台1月12日06时继续发布寒潮蓝色预警。

图1 全国

大风降温

预报图（1月12日08时-16日08时）

图

2

全国

大风降温

预报图

（1月12日08时-14日08时）

　　2、国外重点天气

　　（1）东亚有寒潮天气

　　未来三天，帕米尔高原、贝加尔湖地区、蒙古高原、远东地区西南部等地将有6~12℃降温，部分地区降温12℃以上，伴有4~6级风，部分地区6级以上风，上述地区将有小到中雪或雨夹雪，局地大到暴雪。

　　（2）北美西部和东部沿岸有较强雨雪

　　未来三天，加南大西南部、拉布拉多半岛南部、美国西部有中到大雪或雨夹雪，局地暴雪到大暴雪，美国西部和东北部沿海地区有中到大雨，局地暴雨。

　　（3）澳大利亚南部阿根廷北部有高温天气

　　未来三天，澳大利亚南部、阿根廷北部部分地区有高温天气，日最高气温35～37℃，局地可达40℃左右。

　　三、未来三天具体预报

　　1月12日08时至13日08时，新疆南疆盆地西部、甘肃西部、青海西部、内蒙古大部、黑龙江西北部和东部、吉林和辽宁东部、华北北部等地部分地区有小到中雪或雨夹雪，其中，新疆南疆盆地和南疆西部山区等地部分地区有大到暴雪（10～16毫米）。东北地区西部、华北中南部、黄淮、江淮、江汉大部、西南地区东北部、江南、华南大部、台湾岛大部等地部分地区有小到中雨，其中，安徽南部、江西北部和南部、浙江北部、广西东部、广东西北部等地部分地区有大雨（25～45毫米）。新疆东部和南疆盆地、甘肃河西、内蒙古中东部、吉林西部等地部分地区有4～6级风，其中，新疆山口地区风力可达9～11级及以上。新疆东部和南部、青海西北部、甘肃西部和东部、内蒙古西部、宁夏、陕西北部等地部分地区有扬沙或浮尘，局地有沙尘暴（见图3）。

图3 全国降水量预报图（1月12日08时-13日08时）

　　1月13日08时至14日08时，新疆南疆盆地西部、青海北部、甘肃大部、宁夏、陕西中北部、山西、内蒙古大部、河北、北京、天津、东北地区大部等地部分地区有小到中雪或雨夹雪，其中，新疆南疆西部山区、陕西中南部、山西大部、河南西部等地部分地区有大到暴雪（10～15毫米）。辽东半岛、山东半岛、江淮、江汉、江南、西南地区东部、华南大部等地部分地区有小到中雨，其中，河南南部、安徽西北部、湖北东部、江西东部、浙江中南部、福建西北部等地部分地区有大雨（25～45毫米）。新疆南疆盆地、内蒙古西北部、陕西北部、黑龙江东北部、吉林西部、河南南部、江苏北部等地部分地区有4～6级风，其中，新疆东部部分地区有6～7级风。渤海、渤海海峡、黄海大部海域、将有6~8级、阵风9级的偏北风，其中渤海部分海域风力可达9级、阵风10~11级（见图4）。

图4 全国降水量预报图（1月13日08时-14日08时）

　　1月14日08时至15日08时，新疆南部、西藏东南部、青海、甘肃中东部、宁夏、陕西、山西、河北中西部、山东、河南、湖北等地部分地区有小到中雪，其中，陕西中南部、山西南部、河南北部、湖北西部、四川盆地北部、重庆东北部等地部分地区有大到暴雪（10～15毫米）。江淮大部、江南大部、西南地区东南部、华南、台湾岛等地部分地区有小到中雨。新疆沿天山地区和南疆盆地、甘肃河西、山西北部、黑龙江东北部、河南、湖南、江西北部、四川盆地等地部分地区有4～6级风，其中，内蒙古北部、青海西部等地部分地区有6～7级风。渤海、渤海海峡、黄海大部海域、东海大部海域、台湾海峡、台湾以东洋面将有6~8级、阵风9级的偏北风，其中渤海部分海域风力可达9级、阵风10~11级（见图5）。

图5 全国降水量预报图（1月14日08时-15日08时）

　　制作：张小雯 张夕迪 李坤玉 签发：陈涛

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）