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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）

【网络中国节·诗画节气】小寒：莫怪严凝切，春冬正月交******

   【网络中国节·诗画节气】

小寒：莫怪严凝切，春冬正月交

　　作者：侯楠楠

　　小寒是二十四节气中倒数第二个节气。《月令七十二候集解》中记载：“十二月节，月初寒尚小，故云。月半则大矣。”也就是说，小寒之“小”的意思是天气寒冷，但还没有冷到极点。小寒三候为“雁北乡，鹊始巢，雉始雊”，因为感受到阳气生发，大雁开始向北迁移，喜鹊开始筑巢，为繁衍做准备（快过年了，但此处没有催婚的意思），“雊”意为野鸡鸣叫，此时，野鸡也感受到阳气萌动开始鸣叫。“禽鸟得气之先”，古人认为禽鸟在感知时节变化方面独具天赋，在二十四节气中，小寒和白露是完全以鸟类作为物候标识的。

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　　《敦煌二十四节气》原画出自《不可思议的敦煌·与万物共生长》创作展——最佳创作团队奖「豆荚创意」小朋友们的集体创作。动画制作：满晨

　　进入小寒一般就进入了腊月，临近过年，人们开始忙着写春联、剪窗花，采购年画、鞭炮等各类年货，为即将到来的春节作准备。此时，北方地区的河水已经冻得足够结实，人们开始在冰面上嬉戏玩乐，古时称为“冰戏”，《宋史》中就有“故事斋宿，幸后苑，作冰戏”的记载。除此之外，有的地方还有进行“腊祭”的习俗，祭祀祖先和众神，祈求来年农作物丰收。

　　“三九补一冬，来年无病痛”，冬季要进补，而小寒时节尤为重要。除了在冬季出场率最高的羊肉，江苏一些地方会在小寒时煮菜饭吃，用“矮脚黄”（小白菜的一个品种）与咸肉片、香肠或是板鸭搭配，加上生姜粒与糯米一起煮，广东地区的糯米饭也与之相似。天津地区则有吃黄芽菜的习俗，黄芽菜即白菜芽，冬至后将白菜割去茎叶，只留菜心，覆盖勿透气，半月后取食，为冬日蔬菜不足的餐桌增添了脆爽之味。

　　俗话说，“小寒大寒，冻成一团”，小寒和大寒时期，基本上是一年中最冷的时候。不过，小寒之“小”，真的意味着还不够冷吗？民间常说“冷在三九”，而“三九”基本上处于小寒节气内。我们之前辨析过大暑和小暑哪个节气更热，同样地，根据气象资料可以看到，只有少数年份的大寒气温低于小寒，因此，在寒冷这方面，“小寒胜大寒，常见不稀罕”，小寒是当之无愧的内卷王。

　　除了“真冷”以外，我们该如何优雅地表达寒冷？杜甫说“霜严衣带断，指直不得结”，天气太冷，手指冻得僵直，连断了的衣带都不能系上；李白说“素手抽针冷，那堪把剪刀”，做针线时，连抽针都冷，更别说拿剪刀去裁衣服了；孟郊说“百泉冻皆咽，我吟寒更切”，因为天冷，连泉水流动地声音都像是在哽咽，更别说人了；陶渊明说“凄凄岁暮风，翳翳经日雪”，一整天又刮风又下雪，冷不冷就不用说了吧？

　　天气虽冷，但古人认为，只有小寒、大寒“冻透了”，来年开春之后才能顺利回暖。民谚说“小寒寒，惊蛰暖。小寒暖，倒春寒。小寒不寒，清明泥潭。小寒大寒大日头，来年开春冻死牛”，就是通过小寒大寒的气温来判断来年的天气，甚至还可以通过小寒大寒时的降水情况观测小暑大暑的旱涝，“小寒大寒不下雪，小暑大暑田开裂”，就是说，小寒大寒如果不下雪，小暑大暑时节就会干旱。小寒时节，北方大部分地区已经没有太多的农活，主要任务是做好畜舍保暖、窖藏、造肥积肥等工作，正如农谚所说“小寒时处二三九，天寒地冻北风吼。窖坑栏舍要防寒，瓜菜薯窖严封口”；另外就是要防止积雪冻雨压断竹林果木，适时果树进行冬剪。

　　不过，小寒时节也不尽是萧索之景。南北朝时期《荆楚岁时记》中记载“始梅花，终楝花，凡二十四番花信风”，二十四番花信风，就始于小寒时的梅花。文人墨客都爱赏梅，喜欢其迎寒绽放的特点并将其视为值得赞颂的高洁品格。王安石咏梅，说“遥知不是雪，为有暗香来”；王冕咏梅，说“不要人夸好颜色，只留清气满乾坤”；崔道融咏梅，说“朔风如解意，容易莫摧残”，这是把梅花当主角写的。宋朝诗人杜耒请朋友到家里围炉煮茶，把梅花当作气氛组，说“寻常一样窗前月，才有梅花便不同”，十分风雅；不过，最有名的还是“踏雪寻梅”的男主孟浩然，“园中有早梅，年例犯寒开”，踏雪寻梅是孟浩然的行为艺术，他为了找创作灵感，骑着驴去追寻梅花的踪迹。其实大家想一想这个场景，一个大男人骑着驴去找梅花，似乎并没有那么唯美。但对于诗人来说，灵感乍现的时刻总是可遇不可求，踏雪寻梅的意境自此为人津津乐道，孟浩然也没想到，找灵感的他成了后来很多人的艺术创作灵感。

　　“莫怪严凝切，春冬正月交”，梅花的盛开是小寒带来的希望，严冬进入倒计时，时光如梭，春归有期。

光明网×敦煌画院

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）