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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)

二〇二三新年贺词,习近平勾勒“明天的中国”******

  (近观中国)二〇二三新年贺词,习近平勾勒“明天的中国”

  中新社北京1月1日电 题:二〇二三新年贺词,习近平勾勒“明天的中国”

  中新社记者 黄钰钦 梁晓辉

  新年的钟声敲响,人们在回望中走向未来。这一特殊的时刻,对过去的告别与对未来的期待交织,给予每个人前行的力量,于个人如此,于国家亦是如此。

  当时间翻开新的篇章,世界也又一次注目——中国将如何告别过去、总结当下、寄望未来?答案正蕴含在中国国家主席习近平二〇二三年的新年贺词里:“历史长河波澜壮阔,一代又一代人接续奋斗创造了今天的中国。”“我们要一往无前、顽强拼搏,让明天的中国更美好。”

  当这份跨越时光的答案被缓缓道出,一个明天的中国也徐徐走来。

新年前夕,国家主席习近平通过中央广播电视总台和互联网,发表二〇二三年新年贺词。新华社记者 鞠鹏 摄

  这是一个奋斗前行的中国。

  “奋斗”,始终是习近平新年贺词里的关键词。回顾过去,从“天上不会掉馅饼,努力奋斗才能梦想成真”,到“征途漫漫,惟有奋斗”,再到“明天的中国,奋斗创造奇迹”,“奋斗”成为对中国姿态最鲜明的概括。

  而在过去一年,无论是新航母下水,还是大飞机上天,无论是在冰雪赛场上驰骋,还是在“太空之家”遨游苍穹……中国人以“奋斗”连接梦想与现实,如习近平在新年贺词中所感慨:“这一切,凝结着无数人的辛勤付出和汗水。点点星火,汇聚成炬,这就是中国力量!”

  “奋斗”,也将中国的今天与明天相连。今天奋斗的成果,正是明天中国更美好的信心之源。过去一年,中共二十大筹划未来,中国式现代化提速前行,为明天的中国勾勒出更加精确的蓝图。一个奋斗的、可感的中国,正信步前行。

  这是一个更加团结的中国。

  过去一年里反复延宕的疫情,让人们愈发感受到团结的可贵。是彼此的团结,让素不相识的陌生人开始鼓励与互助。食物与药品,诗集与小说,在社群和楼宇间穿梭运送,治愈着彼此的身体与心灵。正如著名小说家加缪曾写下的,“洋溢着善意的眼神永远比瘟疫更有力量”。

  当下疫情防控进入新阶段,习近平在新年贺词中的这句话带给人更多力量:“大家再加把劲,坚持就是胜利,团结就是胜利。”

  因为团结,人们战胜了前所未有的困难,“每个人都不容易”。眺望前方道路,未来的风险与挑战丝毫不减,仍需要“14亿多中国人心往一处想、劲往一处使”。惟其如此,“就没有干不成的事、迈不过的坎”。

  若将眼光投向世界,“团结”二字在百年变局下更能读出一层深远寓意。过去一年,无论在世界经济论坛视频会议上,以“一条命运与共的大船”作喻,还是在G20巴厘岛峰会上,引述印尼谚语“甘蔗同穴生,香茅成丛长”,习近平都传递出一个紧密联系世界、与各国“更团结”的中国心愿。

  这种团结,就像北京冬奥会闭幕式鸟巢上空升腾起的“天下一家”焰火,中国正以这样笃定的世界观,持续点亮世界。“我们始终如一珍视和平和发展,始终如一珍惜朋友和伙伴”,习近平在新年贺词中再次表示。不难预见,尽管全球性挑战层出不穷,明日之中国仍将以自身的确定性为世界团结助力。

  这是一个洋溢青春的中国。

  时光如流,习近平在新年贺词中多次点赞平凡人做出的非凡事,不同群体都曾先后走进他的“年度记忆”。今次,习近平特别提及中国青年——青年兴则国家兴。

  青春的中国,希望寄托在每一个青年之中。过去一年,习近平在不同场合多次表达对青年的期待,既有情真意切的信笺对话,也有走进高校的亲切交谈。他将青年比作茁壮成长的小树,总有一天会“撑起一片天”,也将青年比作初升的朝阳,“总有一刻会把光和热洒满大地”。

  “年轻充满朝气,青春孕育希望。”在新年贺词里谈及明天的中国,习近平又一次对青年提出要求,希望广大青年“不负时代,不负华年”。

  今天的中国,青年人正在担负起实现美好的责任。面对生活中的困难与挑战,成长的烦恼与成功的喜悦并行。与此同时,每一个青年人都在选择将以何种姿态进入明天的中国。看似微小,但恰恰是这每一个选择,构成了中国面对未来自信向上的社会图景。

  这种向上,也正是奋斗的、团结的、青春的中国,所走向的更美好明天。(完)

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