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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）

超级月亮、流星雨……2023年天象剧场“节目单”来了******

　　2023年天象剧场“节目单”来了

　　今年的“超级月亮”出现在8月31日，并且8月2日和9月29日的两次满月距离地球也比较近。9月29日正好是中秋佳节，当天17时58分，将有一轮又大又圆的月亮从东方升起。恰逢农历兔年，玉兔望月别有一番意境。

　　◎本报记者 张 晔

　　1月4日，“大名鼎鼎”的象限仪座流星雨闪亮登场，为全年的天象大戏拉开了序幕。

　　那么，2023年还有哪些精彩绝伦的天象呢？天文爱好者该如何观测这些天象？近日，中国科学院紫金山天文台科普主管王科超在接受科技日报记者采访时，盘点了今年值得关注的天象“节目单”，方便大家共赏天宇奇观。

　　日月食的遗憾超级月亮来弥补

　　2022年虽然有过两次月全食，但日全食、日环食却缺席了。2023年，将上演震撼人心的日食，而且会带给我们一次罕见的日全环食天象。

　　王科超告诉记者，2023年共将发生两次日食、两次月食，两次日食分别发生在4月20日和10月14日，月食分别发生在5月5日和10月29日。其中，4月20日的日食最值得期待，这是一次罕见的日环食加日全食(日全环食)。

　　日全环食带从印度洋南部开始，经过澳大利亚西北部、东帝汶东南部，印度尼西亚的亚马鲁古省、巴布亚省，在太平洋西部结束。不巧的是，我国只有浙江的极东南部、福建的东南部、广东东南部、海南东南部和台湾地区能见到食分很小的日偏食，南海诸岛能见到食分0.2—0.5的偏食。

　　作为一次稀有的特殊天象，虽然日全环食带大部分地区位于茫茫大海之上，不易观看，但依然值得期待，我们可以通过直播等方式，一同见证今年最壮观的天象。

　　10月14日发生的日环食我国则完全看不到。环食带从太平洋东北部开始，经过美国、墨西哥、洪都拉斯、尼加拉瓜、巴拿马、哥伦比亚、巴西，在巴西东部的大西洋洋面上结束。

　　今年的两次月食我国均可见，但却都不太“好看”。5月5日的半影月食，从当日23时持续至次日凌晨，但是半影月食发生时，月面的亮度只是稍微变暗一些，肉眼不易察觉；10月29日的月偏食发生在后半夜，且食分只有0.128，看起来不会太壮观。

　　对于中国的天文爱好者来说，2023年的日月食不免让人觉得遗憾，不过还是有一份“小礼物”——“超级月亮”值得我们期待。

　　2023年是农历的闰年(闰二月)，因此有13个满月(望)。其中8月会出现两次满月(8月2日和8月31日)。在西方，一个公历月中的第二个满月被称为“蓝月亮”，当然月亮并不会变成蓝色。

　　如果满月恰好发生在月球过近地点附近，那么满月看起来会比平时更大、更亮一些，这就是“超级月亮”。今年的“超级月亮”出现在8月31日，并且8月2日和9月29日的两次满月距离地球也比较近。其中，9月29日正好是中秋佳节，当天17时58分，将有一轮又大又圆的月亮从东方升起。恰逢农历兔年，玉兔望月别有一番意境。因此，对于中国天文爱好者来说，八月十五的天宇尤其值得关注。

　　在三大流星雨下许下心愿

　　“陪你去看流星雨落在这地球上，让你的泪落在我肩膀……”曾经一首《流星雨》打动了多少人的心，而在流星雨下悄悄地许个愿也成为很多人的梦想。今年北半球的3场流星雨观测条件都不错，将是人们许下心愿的最佳时机。

　　一般来说，全年大大小小的流星雨多达几十至上百场，但多数情况下，值得观测的也只有北半球三大流星雨：象限仪座流星雨、英仙座流星雨和双子座流星雨。

　　这三大流星雨可以说是各有各的特点，比如象限仪座流星雨是以已经不再使用的近代星座命名的流星雨；英仙座流星雨是唯一一个出现在夏季的流星雨，也是观测条件最舒服的一个；而双子座流星雨可以说是最稳定、观测概率最高的流星雨。

　　英仙座流星雨极大期在暑假期间，其舒适的观测条件和合适的时间，吸引了许多学生天文爱好者的目光。根据国际流星组织预报，2023年英仙座流星雨极大期大约出现在北京时间8月13日15时—22时，天顶每小时出现率可达100。极大期前后月相为残月，月亮一直到凌晨才会升起来，且月光比较微弱，对观测几乎没有影响。

　　根据国际流星组织预报，2023年双子座流星雨极大期预计出现在北京时间12月15日3时，天顶每小时出现率可达150。当天月相为刚过朔日，月光对观测没有任何影响。

　　此外，12月13日、14日两晚也都是不错的观测时机，尤其是14日晚9点到日出前，大家千万别错过。因为12月13日天黑后不久双子座便已经出现在东方天空，随着辐射点逐渐升高，流星的数量也会不断提升。

　　王科超提醒，象限仪座流星雨和双子座流星雨都发生在冬季，户外天气寒冷，外出观测要做好防寒保暖措施。英仙座流星雨虽然发生在夏季，但天文爱好者也要密切关注本地天气预报，提前选择最佳的观测地点。

　　内行星、外行星各有各的精彩

　　在太阳系中，我们把地球与太阳之间的行星称为内行星，水星和金星就是内行星；把地球绕日运行轨道之外的行星称为外行星，火星、木星、土星、天王星、海王星就是外行星。

　　水星和金星多数时间都淹没在太阳的光辉中，最佳观赏期是东西大距(大距即从地球看起来，内行星距离太阳角距离最大的时刻，此时内行星离太阳最远，最容易观测)。

　　今年，水星总共有6次大距，分别是1月30日、5月29日、9月22日的西大距；4月12日、8月10日、12月4日的东大距。其中，1月30日西大距、4月12日东大距及9月22日的西大距观测条件稍微好一些。

　　金星有两次大距，分别是6月4日的东大距和10月24日的西大距。由于金星比较明亮，所以也未必需要在大距的时候观测，大距前后一段时间，我们都可以观察金星。

　　3月初至7月上旬，日落时金星都会维持30°以上的地平高度，人们非常容易在傍晚的余晖中找到它。之后金星会迅速靠近太阳，从昏星变为晨星。从8月底开始，金星会出现在日出前的东方天空，且高度会逐渐提高，我们又将迎来观察金星的好时机。

　　值得一提的是，今年3月24日，还会发生一次难得的月掩金星天象。这次月掩金星在非洲南部、印度洋、亚洲南部都可以看到。届时，金星的亮度在-3.9等，月相为蛾眉月。随着时间的推移，月亮慢慢地遮住了明亮的金星。我国南方的天文爱好者可以在西方夜空看见月掩金星，北方的天文爱好者们则无此眼福。

　　外行星的最佳观赏期是冲日前后。也就是外行星运行到与太阳、地球形成一条直线的状态。一般来说，此时行星最亮，也最适宜观测。

　　今年外行星的冲日日期为：8月27日土星冲日、9月19日海王星冲日、11月3日木星冲日、11月14日天王星冲日。2023年没有火星冲日。总体来说，观测外行星大多需要借助望远镜，不如观测内行星那样便利。

　　“公众和天文爱好者可以根据自己的喜好选择合适的观测时机，记录下美好的时刻。”王科超说。

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）