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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）

“靠山吃山”变为“养山护山”******

　　彩霞映照下的江西省萍乡市湘东区腊市镇益塘水库，水清岸绿、鱼翔浅底，库边曲桥亭榭、鹭鸟翩飞，令人心旷神怡。很难想象，曾经的这里是矿渣沉积、水体发黑发臭的另一番景象。益塘水库的“新生”，正是湘东区大力开展废弃矿山生态修复治理的一个缩影。

　　近年来，湘东区通过对废弃矿山实施生态修复综合治理，不仅改善了废弃矿区的生态环境，还走出了一条经济社会发展和生态文明建设相辅相成、相得益彰的新路。

　　湘东区是远近闻名的“煤城”，由于过去生产工艺落后和盗采乱挖，留下了近9万亩的废弃矿山，一座座满目疮痍的废弃矿山如同一块块难看的疤痕散布在青山之间。水土流失、环境恶化等生态问题严重影响群众生产生活、城乡环境面貌。

　　“湘东区冬瓜槽区域，高峰期有小窑煤井100多家，造成采掘区域基岩裸露，煤矸石堆积成山，植被严重破坏，地表破坏总面积约为4095亩。”湘东区相关负责人介绍说。湘东冬瓜槽废旧矿山生态修复项目是全市最大的废旧矿山生态修复项目，治理区域范围包括湘东镇巨源村、腊市镇明塘村、乌岗村、下埠镇虎山村。

　　“深挖废旧矿山资源自身价值转化潜力，推出‘1+N’模式，实现项目投资回报，以减轻政府投资压力。”湘东区相关负责人说。

　　位于腊市镇乌岗村的益塘水库2022年4月开始治理，建设者从边坡治理、清挖矿渣淤泥着手，新建了挡土墙、铺设草皮、栽植护岸树木，对库底污染沉积物及泥沙进行彻底清理，清理出3万立方米沉积物，还原了集灌溉、防洪、观光等于一体的民生水利工程原貌。

　　“相比往年，水库的蓄水量得到了扩容，水库的水体也由劣五类变成三类水。”乌岗村村干部说，时隔多年，这个小二型水库重新发挥作用，保障了下游数百亩农田灌溉。

　　经过综合整治，如今的乌岗村，植被葱郁、蜂飞蝶舞、水塘清澈，一条条新修的沥青公路蜿蜒山间，一派生机盎然，一个个特色产业基地彰显出活力和魅力。

　　如果把冬瓜槽废弃矿山生态修复综合治理项目看成是湘东区生态绿城的“集大成者”，那么，该项目中的“H39号地”则可称为当地生态修复建设“小试牛刀”的一块试验田。

　　从山顶俯视，面积不到1亩的“H39号地”仿佛是茫茫戈壁中的一抹绿点缀其间，红薯、萝卜、豇豆等作物郁郁葱葱。“绿色无公害农产品，简直身处花果山。”微信朋友圈里，项目经理兼施工员王志伟经常晒晒自己的成果。

　　在花冲坡片区，工人们正在边坡打锚杆挂网，他们架着长长的管子，对护坡进行喷播，伴有草籽肥料和灌木苗种的泥浆源源不断喷射到边坡上。

　　“边坡增厚10厘米，泥浆里草籽和灌木长大后抓地强，稳定性很好。”项目总工程师胡取枋介绍，高峰时，冬瓜槽项目有60台挖机、100多辆后八轮、8台推土机、8台铲车和6辆洒水车同时作业。

　　“矿山修复，不能一‘绿’了之，关键在激活沉睡资源，让村民口袋鼓起来。”胡取枋介绍，通过降坡、削坡、修建挡土墙、覆土复绿等措施，消除地质灾害隐患，将为当地百姓提供旱地和水田100多块，通过土壤配方改良，农民可种上经济作物和农作物，也可以发展休闲农业。整个项目预计可新增耕地面积1720亩，其中水田494亩，旱地1226亩。

　　对废弃矿山进行生态修复，就是实现对土地资源的再次利用。湘东冬瓜槽废旧矿山生态修复项目，建设总规模3845亩，预算总投资3.1827亿元。此举不仅为政府决策提供依据，保障国有资产不会流失，还解决了政府投资回报难题，有效推进废旧矿山生态修复治理进程;以政府平台公司为融资主体，对生态修复项目进行包装，向政策性银行进行融资，不增加政府的隐性债务。

　　修复矿区、植草种瓜、种花生芝麻、养山鸡;开发旅游、培育产业……从靠山吃山到养山护山，从地下开采到地面开花，百年煤矿抖落灰尘，正在乡村振兴绿色发展的康庄大道上接续奋斗，一幅幅彰显产业兴旺之美、文明淳朴之美、共建共享之美、自然生态之美、和谐有序之美的锦绣画卷，正在湘东大地徐徐展开。(张宜婷)

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）