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）
中国两院院士评出2022年中国和世界十大科技进展******
中新网北京1月12日电 (记者 孙自法)由中国科学院和中国工程院两院院士投票评选的2022年中国十大科技进展新闻、世界十大科技进展新闻，1月12日在北京揭晓并对外公布，“中国天眼”系列重要进展、中国空间站完成在轨建造和首个完整人类基因组序列公布、人造心脏研究重要进展等分别入选中国和世界的十大科技进展。
2022年中国十大科技进展新闻分别是：
——“中国天眼”(FAST)取得系列重要进展。中科院国家天文台李菂研究员领导的团队，采用原创的中性氢窄线自吸收方法，首次获得原恒星核包层中具有高置信度的塞曼效应测量结果；李菂团队首次提出能够统一解释重复快速射电暴偏振频率演化的机制，为最终确定FRB起源提供关键观测证据；李菂领导的国际合作团队，发现迄今唯一一例持续活跃的重复快速射电暴，并确认近源区域拥有目前已知的最大电子密度；FAST快速射电暴优先和重大项目科学研究团队，对一例位于银河系外的快速射电暴开展深度观测，首次探测到距离快速射电暴中心仅1个天文单位(即太阳到地球的距离)的周边环境的磁场变化，向着揭示快速射电暴中心引擎机制迈出重要一步；中科院国家天文台徐聪研究员领导的国际团队，对致密星系群“斯蒂芬五重星系”及周围天区的氢原子气体进行成像观测，发现一个尺度大约为200万光年的巨大原子气体结构，比银河系大20倍，这是迄今在宇宙中探测到的最大的原子气体结构。
快速射电暴和宿主星系艺术想象图。 中科院国家天文台供图——中国空间站完成在轨建造并取得一系列重大进展。神舟十五号载人飞船发射成功并自主快速交会对接于空间站天和核心舱。神舟十五号航天员乘组入驻“天宫”，与神舟十四号航天员乘组相聚中国人的“太空家园”，开启中国空间站长期有人驻留时代。19个月内，中国载人航天密集实施11次发射、2次飞船返回、7次航天员出舱，4个飞行乘组12名航天员接续在轨驻留，中国空间站“T”字基本构型组装建造如期完成。
建成空间站，建设国家太空实验室。 中国科学报供图——中国科学家发现玉米和水稻增产关键基因。《科学》杂志在线发表中国农业大学教授杨小红、李建生与华中农业大学教授严建兵联合团队的研究论文，经过三代科学家18年研究发现，玉米基因KRN2和水稻基因OsKRN2受到趋同选择，并通过相似的途径调控玉米和水稻的产量，并进一步在全基因组层面阐明了趋同进化的遗传规律。
——科学家首次发现并证实玻色子奇异金属。电子科技大学李言荣院士团队与美国布朗大学教授James M. Valles Jr、北京大学谢心澄院士等协同攻关，成功突破费米子体系的限制，首次在玻色子体系中诱导出奇异金属态。
——中国科学家将二氧化碳人工合成葡萄糖和脂肪酸。电子科技大学夏川课题组、中国科学院深圳先进技术研究院于涛课题组和中国科学技术大学曾杰课题组共同创建一种二氧化碳转化新路径，通过电催化与生物合成相结合，成功以二氧化碳和水为原料合成葡萄糖和脂肪酸，为人工和半人工合成“粮食”提供了新路径。
改造后用于制备葡萄糖的酵母菌株发酵液(棕色溶液)和制备的葡萄糖(白色溶液)。 中国科学报供图——中国迄今运载能力最大固体运载火箭“力箭一号”首飞成功。由中科院力学研究所抓总研制、中国迄今运载能力最大的固体运载火箭“力箭一号”以“一箭六星”方式成功发射，首飞圆满成功的“力箭一号”作为中小型卫星发射优先选择，丰富了中国固体运载火箭发射能力谱系。
——“夸父一号”成功发射并发布首批科学图像。中国综合性太阳探测专用卫星“夸父一号”2022年10月成功发射，首批科学图像于12月对外发布，成果实现多个国内外首次，在轨验证了“夸父一号”3台有效载荷的观测能力和先进性。全称先进天基太阳天文台(ASO-S)的“夸父一号”卫星科学目标为“一磁两暴”，同时为空间天气预报提供支持。
——新技术可在海水里原位直接电解制氢。中国工程院院士谢和平团队在《自然》发表论文，以物理力学与电化学相结合的全新思路，建立相变迁移驱动的海水无淡化原位直接电解制氢全新原理与技术，未来有望与海上可再生能源相结合，构建无淡化、无额外催化剂工程、无海水输运、无污染处理的海水原位直接电解制氢工厂。
海水无淡化原位直接电解制氢稳定性——课题组供图——国家重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置”实现重大突破。由中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研制的国家重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置”实现重大突破，创造场强45.22万高斯的稳态强磁场，超越已保持了23年之久的45万高斯稳态强磁场世界纪录，达到国际领先水平。
——“巅峰使命”珠峰科考创造多项新纪录。“巅峰使命”珠峰科考活动共有5个科考分队、16支科考小组、270多名科考队员参加。此次科考在西风-季风协同作用及影响、巅峰海拔的强烈升温、巅峰海拔的冰雪融化、高新技术平台观测的水汽和温室气体、珠峰地区的强大气氧化性过程、珠峰地区人体生理的特殊反应、珠峰地区变绿的生态过程等方面取得了众多亮点成果，创下多项科考新纪录。
科考队员成功开展珠峰峰顶综合科考工作。 中科院青藏高原研究所供图2022年世界十大科技进展新闻分别是：
——首个完整人类基因组序列公布。美国研究人员领衔的国际科研团队公布了首个完整、无间隙的人类基因组序列，人类基因组含有约30亿个DNA(脱氧核糖核酸)碱基对，完成这些碱基对的完整、无间隙测序对于了解人类基因组变异全谱、掌握基因对某些疾病的影响至关重要。
——人造心脏研究取得重要进展。美国工程师使用一种新的增材纺织品制造方法，开发出第一个具有螺旋排列跳动心脏细胞的人类心室生物杂交模型，并证明其肌肉排列确实会显著增加每次收缩时心室泵出的血液量。该研究是朝着器官生物制造迈出的重要一步，使人们更接近于建立用于移植的人体心脏的最终目标。
——银河系中心黑洞的首张照片面世。包括中国在内的全球多地天文学家同步公布一个超大质量黑洞——人马座 A*(Sgr A*)的照片。这是人类“看见”的第二个黑洞，也是银河系中心超大质量黑洞真实存在的首个直接视觉证据。这个超大质量黑洞距离太阳系约2.7万光年，质量超过太阳质量的400万倍。
银河系中心黑洞的首张照片。EHT合作组织供图——人类首次成功改变小行星轨道。美国宇航局利用双小行星重定向测试航天器，撞击了一颗近地双小行星系统中较小的小行星——Dimorphos，以期改变其运行轨道。这是世界上首个旨在防御地球免受小行星撞击威胁的测试任务，结果证实这次任务取得成功。
——美国首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”。美国国家点火装置团队首次在可控核聚变实验中实现核聚变反应的净能量增益，即通过核聚变产生的能量比激发聚变所使用的能量更多，这项突破首次证实惯性核聚变能的基本科学原理和可行性。
美国加州，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)国家点火设施的目标室，192束激光束向一个微小的燃料球传递了超过200万焦耳的紫外线能量，以产生聚变点火。 图片来源：视觉中国——詹姆斯·韦布空间望远镜顺利入轨首次传回照片。作为迄今最大、功能最强的空间望远镜，詹姆斯·韦布空间望远镜主镜直径6.5米，由18片巨大六边形镜片构成，配有5层可展开的遮阳板。该望远镜公布了其拍摄的一批宇宙全彩色照片后，还拍摄到距离地球约280亿光年的最遥远恒星的新图像，并首次在系外行星上明确探测到二氧化碳。
——世界首台百亿亿次超级计算机打破速度纪录。国际超算组织宣布，美国橡树岭国家实验室的超级计算机“前沿”在2022年国际超算Top500榜单中拔得头筹，成为现今世界上运行速度最快的超级计算机，算力高达每秒1.1百亿亿次，也是目前国际上公告的首台每秒能执行百亿亿次浮点运算的计算机。
——猪蛋白角膜让人重见光明。瑞典林雪平大学等研究人员通过提取猪胶原蛋白制成的人工角膜，成功使失明或视力受损的人恢复了视力，且手术两年后，患者没有严重并发症或副作用的报告。该研究结果有助于开发出一种符合人类植入物标准、可以大规模生产并储存长达两年的生物材料，从而惠及更多有视力问题的人。
由猪胶原蛋白制成的角膜。 图片来源：THOR BALKHED、林雪平大学——人工智能加速“原创”新蛋白质设计。随着人工智能(AI)的巨大进步，美国西雅图华盛顿大学(UW)生物化学家David Baker领导的一个团队，只需几秒钟便可以设计出“原创”新蛋白质。在Baker团队开发的一种名为“幻觉”的方法中，研究人员将随机的氨基酸序列输入结构预测网络；根据网络的预测，改变其结构，使之变得更像蛋白质。
——科学家发现“四中子态”存在最明确证据。由数十个国家的科学家组成的联合团队发现了迄今“四中子态”(tetraneutron)奇异物质存在的最明确证据，相关研究论文已发表于《自然》，这一发现将有助于物理学家对核力本质的理论进行微调。
据了解，中国两院院士投票评选2022年中国十大科技进展新闻、世界十大科技进展新闻活动，由中国科学院、中国工程院主办，中科院学部工作局、中国工程院办公厅、中国科学报社承办。此项年度评选活动至今已举办29次。(完)
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