气凝胶研究论文

气凝胶研究论文

1971年天文学家卡尔•萨根提出“行星工程学”概念。具体地说，就是融化火星极地水冰，从而创造出更温和的环境。2018年，美国科学家发现即使将火星上的所有可用资源进行处理，也只能让大气压达到地球的7%左右。现在，科学家又提出一个新想法，利用二氧化硅气凝胶模拟地球大气的温室效应，进而对火星表面的特定区域进行改造。

科学家建议利用二氧化硅气凝胶模拟地球大气的温室效应，对火星表面的特定区域进行改造。长久以来，人类便梦想着改造火星气候，让它变成一颗适合人类居住的星球。天文学家卡尔•萨根是第一个认真提出对火星进行地球化改造的人。他在1971年的一篇论文中指出， 蒸发火星北极冰盖能够产生海量气体，通过温室效应提高火星的全球温度 ，进而提高让水保持液态的可能性。

萨根的论文促使其他科学家和未来学家认真对待火星地球化改造的相关想法。关键的问题是，火星上是否存在足够的温室气体和水，能够让大气压提高到与地球相当的水平？2018年，由美国宇航局资助的科罗拉多大学波尔得分校和北亚利桑那州大学的研究人员发现，即使竭尽火星上所有的可用资源，也 只能让其大气压达到地球的7%左右 。换句话说，通过这种方式将火星改造成宜居星球无异于痴人说梦。

现在，哈佛大学、宇航局喷气推进实验室和爱丁堡大学的科学家提出了一个新想法：我们没有必要对整个火星进行地球化改造， 可以尝试局部地区性改造 。研究人员建议利用二氧化硅气凝胶模拟地球大气的温室效应，对火星表面的特定区域进行改造。

通过建模和相关实验，研究人员发现一个两到三厘米厚的二氧化硅气凝胶层能够 传输足够的可见光 ，用于光合作用，同时 阻挡有害的紫外辐射 ，并让气凝胶层下方的温度始终 高于水 的融点 。所有这些过程均 无需任何内部热源的参与 。研究论文刊登在《自然·天文学》杂志上。

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的环境学与工程学兼地球与行星科学系助理教授罗宾·沃德斯沃斯表示：“局部改造要比改造全球大气更容易实现。与此前提出的将火星变成宜居星球的想法不同，这种方式 可以借助相关材料以及我们已经掌握的技术进行系统性研发和测试 。”

美国宇航局喷气推进实验室的科学家劳拉·科博尔指出：“火星是太阳系内除地球外最适于居住的行星。但对于很多生命来说，它仍旧是一个充满敌意的世界。一个能创造出宜居小岛的系统将允许我们用一种 可控、可扩展 的方式对火星进行改造。”

火星极地冰盖由水冰和冻结的二氧化碳构成。与气态二氧化碳一样，固态二氧化碳也允许阳光穿过并捕获热量。夏季，这种固态温室效应能够在冰下形成“升温袋”，也就是图片中的黑点。 与地球的极地冰盖（由冻结的水构成）不同，火星极地冰盖由 水冰和冻结的二氧化碳构成 。与气态二氧化碳一样，固态二氧化碳也 允许阳光通过并可以捕获热量 。

​二氧化硅气凝胶97%都是 多孔疏松结构 ，这意味着光线能够穿过这种材料，但相互连接的二氧化硅纳米层可以 反射辐射，同时大幅减缓热传导 。这种气凝胶在工程学领域有很多应用，比如美国宇航局的火星勘测漫游者。科博尔表示：“由于这种效应是被动的，二氧化硅气凝胶是一种具有 探索 前景的材料。它 不需要大量的能量和对移动部件的养护 ，便可在长期内为一个区域保温。”

利用相关模型和实验模拟火星地表，研究人员证明一层薄薄的二氧化硅气凝胶便可 让火星中纬度地区的平均温度与地球相当 。沃德斯沃斯说：“在一个面积足够大的区域的地表和地下放置一层二氧化硅气凝胶，无需任何其它技术或者物理学手段，你便可获得永久性液态水。”

“ 二氧化硅气凝胶可用于在火星上建造栖息地，甚至于可以 建造完全独立的生物圈 。沃德斯沃斯说：“使用这种材料会带来一系列有趣的工程学问题。”接下来，研究小组将在地球上与火星气候类似的地区测试这种材料，例如南极洲或者智利的干旱山谷。

沃德斯沃斯指出有关火星地球化改造的任何讨论都会引发重要的 哲学问题以及与行星保护有关的伦理学问题 。“如果我们想让生命在火星上生存，我们首先要解答一个疑问，即火星上是否已经存在生命？如果存在生命，我们应如何应对？在我们决定让人类定居火星的那一刻起，这些问题就不可避免。”

气凝胶面料和纳米面料区别

气凝胶面料是一款通过发泡，将气凝胶颗粒固定在网状结构内部的橡塑类保温材料。通过不断的试验和改进，解决了一代气凝胶复合材料掉粉的痛点，实现了气凝胶面料不掉粉、柔软、可洗等优异性能，使得气凝胶也能适用于纺织面料行业。

应用领域

气凝胶面料的成功研制，使得原先用于宇航领域的先进材料有了更大的应用领域。目前，气凝胶面料成功应用在了复合面料、成衣、帐篷、睡袋、隔热垫、鞋垫等民用产品领域，打开了气凝胶材料更为广阔的应用前景。
纳米布料是将纳米原料融入面料纤维中的一种特殊的物理和化学处理技术，在普通面料上形成一层保护层
特点：
提升面料的防污、防油、防水、抑菌、透气、环保、固色等功能
洗涤的注意事项：
不能用力搓洗
优点：
1、重量比棉、粘胶纤维要轻；
2、结实耐磨，是合成纤维中最耐磨、最结实的一种；
3、耐酸碱腐蚀，不霉不蛀。
4、富有弹性，定型、保型程度仅次于涤纶；
缺点：
1、耐光、耐热性较差，久晒会发黄而老化；
2、吸湿能力低，舒适性较差，但比腈纶，涤纶好；
3、锦纶易产生静；
4、收缩性较大；
5、服装穿久易起毛，起球；

华南理工大学：新方法制备碳气凝胶，用于柔性电子器件

本文要点：

提出一种纳米纤维碳连接方法，通过气泡模板法制备超轻 rGO/CNF 碳气凝胶（CAG）。

成果简介

超轻、高压缩性和超弹性的碳材料在可穿戴和柔性电子器件中有很大的应用前景，但由于碳材料的脆性，其制备仍然是一个挑战。 华南理工大学刘传富教授团队在《CHEMNANOMAT》 期刊发表名为“Enhancing the Mechanical Performance of Reduced Graphene Oxide Aerogel with Cellulose Nanofibers”的论文， 研究通过 增强纤维素纳米纤维 (CNF) 的氧化石墨烯 (GO) 液晶稳定气泡成功制备了超低密度、高机械性能的碳气凝胶 。

还原氧化石墨烯（rGO）纳米片中引入CNF后，通过焊接效应增强了rGO纳米片之间的相互作用，限制了rGO纳米片的滑移和微球之间的剥离，从而显著提高了材料的力学性能。所制备的碳气凝胶具有超高的压缩性（高达99%的应变）和弹性（在50%应变下10000次循环后90.1%的应力保持率和99.0%的高度保持率），通过各种方法制备的碳气凝胶均优于现有的气泡模板碳气凝胶和许多其它碳材料。这种结构特征导致了快速稳定的电流响应和对外部应变和压力的高灵敏度，使碳气凝胶能够检测非常小的压力和从手指弯曲到脉搏的各种人体运动。这些优点使得碳气凝胶在柔性电子器件中具有广阔的应用前景。

图文导读

图1、rGO/CNF 碳气凝胶的制备示意图（a）和 CNF 之间以及 CNF 和 GO 之间的相互作用（b）。没有 (c) 和 (d) 交叉偏振器的 GO/CNF 气泡乳液的 POM 图像。CAG (e) 的 SEM 图像。超轻 CAG 立在花瓣上的照片 (f)。

图 (a) 和 CNF (b) 的 AFM 图像和相应的高度图像。GO（c 和 d）和 GO/CNF（e 和 f）的 SEM 图像显示了 CNF 在起皱的 GO 纳米片中的分布。rGO (g) 和 rGO/C-CNF (h) 的 TEM 图像揭示了 C-CNF 在 rGO 纳米片中的均匀分布。

图3.宏观可视化显示 rGO/CNF 碳气凝胶的超弹性（a）。具有不同 CNF 含量的碳气凝胶的密度（b）。AG 和 CAG-X 在 50% 应变下的应力-应变曲线 (c)。AG 和 CAG-X 在 50% 应变下经过 1000 次压缩循环后的应力保持率和高度保持率（d）。AG、CAG-5、CAG-10、CAG-20、CAG-30 和 CAG-50 (e) 的 SEM 图像。

图4、说明 AG (a) 和 CAG (b) 的可压缩性和弹性机制的示意图。CNF碳纳米纤维将rGO纳米片焊接在一起，限制了rGO纳米片的滑动，从而提高了机械强度和抗疲劳性。rGO/CNF 纳米片的有限元模拟（c）。

图5、CAG-20 具有超强的压缩性、弹性和抗疲劳性。CAG-20 在不同压缩应变下的应力-应变曲线 (a)。50% 应变下 1、1000、10000 和 20000 次循环的应力-应变曲线 (b)。极端应变为 99% 时的应力-应变曲线 (c)。90% 应变下 200 次循环的应力-应变曲线 (d)。CAG-20 压缩前的 SEM 图像（e）。CAG-20 在 50% 应变下经过 20,000 次压缩循环后的 SEM 图像 (f)。各种碳材料的应力/密度指数 (g)、应力保持率 (h) 和高度保持率 (i) 的比较。

图6.应变/应力——CAG-20 的电流响应和灵敏度。应变为 10% 至 70% (a) 时的电流强度。在 50% 应变和 1 V 的恒定电压下，1000 次循环的电流输出 (b)。0-100 Pa 时的线性灵敏度（插入：0.1-7 kPa 时的灵敏度）(c)。组装基于 CAG-20 的传感器 (d)。来自轻压 (e)、手指弯曲 (f)、肘部弯曲 (g) 和面部表情 (h) 的电流信号。脉搏信号检测（i）。

小结

综上所述，通过GO液晶的气泡模板法制备了具有低密度、高机械和传感性能的rGO/CNF碳气凝胶。碳化的 CNF 通过增强 rGO 纳米片之间的相互作用，在提高碳气凝胶的机械强度和结构稳定性方面发挥着至关重要的作用。 碳气凝胶表现出超高的压缩性和弹性，以及抗疲劳性。高机械性能和稳定的微观结构赋予碳气凝胶快速稳定的电流响应和高灵敏度。因此，它在用于检测生物信号的可穿戴设备中具有巨大的应用潜力。

链接：

文献：

“气凝胶”有望改造火星环境 甚至可以让生命在那里发展

长期以来，改变火星环境以支持生命一直是科幻小说的梦想。目前的火星太冷了，无法支撑生命。它的大气也太稀薄，无法保护任何生物体免受有害辐射。但是一项新的研究表明，使用一英寸的“ 气凝胶 ” 可以改变火星局部环境条件。这是一种合成超轻材料，通过凝胶和用气体制成。

发表在《 自然天文学》上 的一篇论文声称，该技术可以在火星上产生可居住的区域，并且由于光合作用，植物可以将阳光转化为能量，可能使生命得以发育和繁荣。

情况确实如此吗？如果是这样，我们应该这样做吗？

大约38亿年前，当生命在地球上开始时，火星上的条件是适宜居住的。当时的火星表面有水，蓝天白云和火山活动提供了水循环的一部分。我们从火星探测任务中了解到这一切，这些任务已经在火星地面上发现了干涸的水道。与此同时，机遇号和好奇号探测器已经证明这些特征是由于水形成的。

在38亿年前，磁场还保护火星免受有害太空辐射。火研究人员在古老的火星南部高地发现了地壳磁场。这些是古代火星磁场中唯一的遗骸，类似于现在的地球磁场。

然而，这些可居住的条件在38亿年前发生了改变。磁场消失了，科学家目前认为这是由于火星比地球更快地从其地层中遗失了热量，这可能是由于在火星上形成海拉斯盆地的大碰撞而增强的。数十亿年没有受到磁场的保护，火星的大气已被清除到太空。有些水流失了，有些水流入地下，水仍然存在于火星永久冻土和地下“湖泊”。

如我们所知，火星表面现在对生命不利。稀薄的二氧化碳，不到地球大气压的1％，这意味着火星表面包括来自太阳和银河系的高通量的有害辐射。火星表面环境也很冷：白天0-10°C，晚上低于-100°C。

但是，生命本来可以在火星上繁荣 - 甚至在今天存在这种可能性。

欧洲航天局将于2020年发射Rosalind Franklin（ExoMars 2020）漫游车，我们将在火星表面下钻探两米，以寻找古老生活的迹象。这超出了机遇号和好奇号钻机所能达到的目标，并且提供了寻找生物标志物和生命证据的最佳机会。此外，返回任务可以带回美国宇航局火星2020号火星车搜集的岩石。

通过这些任务，我们或许能够回答人类在宇宙中是否独自存在的古老问题。

气凝胶是由气体取代液体在凝胶中的位置制造而成。它有许多俗名：冻结的烟雾（frozen smoke），固态的烟雾（solid smoke），固态的空气（solid air）和蓝烟（blue smoke）等，而这些都源自于其透明性与物质中的光线散射能力。

气凝胶借由超临界干燥法将凝胶里头的液体成分抽出。这种方法会令液体缓慢的被脱出，但不至于使凝胶里的固体结构因为伴随的毛细作用被挤压破碎。 世界上第一个气凝胶体的主要成分是硅胶。随后又造出了以铝、铬、氧化锡为基础物质的凝胶。第一个碳凝胶体则在1980年代末期以后才被开发出来。

气凝胶物质极轻，其密度大约为3mg/cm 3， 仅仅为空气的三倍重。尽管气凝胶里有个胶字，但它其实是坚硬而干燥的物质，就其物理性质与胶体一点也不类似。被称为胶是由于它的制造过程提取于凝胶。提起指尖轻轻在凝胶表面按压一下并不会留下痕迹；如果以加重的力道按压会造成永久的凹陷；而加上足够的力量会让它如玻璃般破碎散落成块。这个便是我们所知道的易脆性。

虽然它具有破碎的倾向，但是以结构来说它仍是非常坚固的。它优秀的负载能力是源于其分子的组成：大约尺寸为2到5纳米的球形聚合粒子互相结合成一个个小单元，进而组合成树突状的微观立体结构。这些小单元会形成分形链状的三维结构，其间充塞著大量的孔洞，每个孔洞尺寸不大于100纳米。而这些孔洞的聚集密度以及个别的平均大小能够经由制造过程加以控制。

气凝胶是优良的热绝缘体，气凝胶几乎能阻绝由三种传热方式（热传导、热对流、热辐射）中的两种带来的热量转移。凝胶中空气的成分比例至少占99.8%以上，而空气为热的不良导体，故它们是好的热传导隔绝材料。

最近有证据表明，火星上的碳库存不足以实现这一目标。这项新的研究提出了一种不同的方法 ：火星的较小区域可以被薄的（2-3厘米）气凝胶覆盖，通过锁定热量来提供温室效应。通过实验室实验，研究人员证明，这可以将火星表面温度提高50°C。然后，研究人员使用了火星的气候模型来确认凝胶能够使其下方的几米深的水保持液体状态。它还可以通过吸收紫外波长的辐射来保护火星表面免受有害辐射，同时仍然允许足够的光进行光合作用。

这有望产生一个适宜居住的地区，甚至可用来种植一些植物来为最终的人类 探索 提供动力。

这个想法当然很有趣，并且根据实验可能是合理的。但它忽略了影响火星宇宙辐射生命的另一个关键问题。所提出的材料二氧化硅气凝胶由于其低密度有时被称为“冷冻烟雾”。但由于密度如此之低，比紫外线更高能量的宇宙辐射几乎可以毫发无损地穿过它。没有磁保护，这种辐射威胁到火星表面的任何生命。

火星是离我们人类最近的星球。人为地改变环境会威胁到大自然的“实验”之一，这些实验已经有数十亿年的 历史 。我们竭尽全力按照国际规则保持火星探测的任务的洁净，这样我们就不会打扰任何过去甚至现在的火星。如果我们确实继续进行探测并在火星上发现生物，那么很难知道这些是天然的火星微生物还是仅仅是来自地球的污染物。

像这样的大规模试验会对原始环境产生如此大的影响，以至于我们最好不要这样做。

当科学研究完成并且我们准备好了，气凝胶改造火星才值得进一步研究。