由 A小編 June 26, 2021
什麼是氣凝膠
什麼！居然有材料的密度只有空氣的數倍，有些種類甚至比空氣還輕。究竟這種材料是何方神聖呢？它就是世界上最輕材料之一的「氣凝膠(Aerogel)」，一種含有奈米級孔洞的固體材料，你可以想像它是沒有水份的果凍、或是具有奈米等級孔隙的海綿。
氣凝膠的由來
1931年，一位美國科學家Steven Kistler與他的同事Charles Learned打賭，看誰能先成功移除二氧化矽濕凝膠中的水分，製造出全新的孔隙材料。你可能想問，不過是移除水分有什麼困難？問題在於若是直接用高溫或低壓的方式將水蒸發移除，那麼水在奈米空隙之中減少的過程，表面張力會拉扯二氧化矽骨架而使其塌縮。既然如此，怎樣才能解決表面張力的問題呢？
一番激盪後，最終Steven率先成功了！他利用二氧化碳的超臨界流體先取代凝膠中的水份，再降低壓力使二氧化碳氣化離開，透過超臨界流體不具有表面張力的特性來解決骨架塌縮的問題。
氣凝膠的外觀
氣凝膠的外觀一般呈現淡藍色，這是由於光線通過其透明的奈米孔洞時會產生瑞利散射(Rayleigh Scattering)，其散射強度與波長的四次方成反比，因此我們肉眼看見的散射結果便是波長較小的藍光。因為這個現象，氣凝膠又被稱為藍色的煙霧(Blue Smoke)。
氣凝膠的絕熱特性
除了密度低以外，氣凝膠的「絕熱性」也是其特色之一。氣體傳播熱的方式主要為對流及傳導；對流是靠氣體分子本身的移動，而傳導則是靠氣體分子之間的碰撞而傳遞分子振動的能量。在氣凝膠的奈米尺度孔隙結構中，氣體分子被禁錮於微小的泡棉中，因此對流能力非常微弱。加上泡棉的尺度非常微小(奈米等級)，已經小於氣體分子的平均移動路徑(mean free path)，因此分子之間非常難透過碰撞將熱能傳遞出去，這又被稱為克努森效應(Knudsen Effect)。因為這種特殊的結構提供了良好的絕熱性，氣凝膠也被應用在很多防火材料上。
小結
雖然氣凝膠誕生於90年前，但是仍具有許多應用價值。除了已知在建築工程上作為防火材料外，也因其特殊的物理化學性質，在軍事科技、太空工業、以及藥物釋放等等很多面向，未來將會有很大的潛力。你認為氣凝膠能應用在什麼領域中呢？說來看看吧！