祝融火星车上，比空气还轻的神奇马甲是什么？

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导语：中国的“天问一号”火星探测器搭载的“祝融号”火星车于北京时间5月15日7时18分（格林尼治标准时间5月14日23:18） 成功登陆火星。中国自此成为第一个在首次火星计划中，就成功完成对火星“绕、落、巡”的国家。在火星上，祝融号往往要面对“冰火两重天”，火星上的最低温度可能达到－130度，温差100多度，如此恶劣的环境，祝融号如何做好防护，保证任务的顺利实施？这都要靠中国科学家给“祝融号”开发的“空气外套”——纳米气凝胶。

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什么是气凝胶？

在解释气凝胶是什么之前，我们要先了解一下，什么是凝胶物质？

凝胶，英文是gel，这个单词来源于拉丁文中的gelu（寒冷）或是gelatus（冻结、不可动），这也一定程度上解释了凝胶物质的特性：凝结，无法流动。在适当条件下，凝胶，即一定浓度的高分子溶液或溶胶，粘度逐渐增大，最后失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体，这种弹性半固体称为凝胶。

吉林大学 水凝胶微观图 图源：https://www.sohu.com/a/272414598_525632

像我们平时吃的果冻就是水凝胶，果冻是水做的，但果冻里的水却不会流出来，这是因为果冻内部的凝胶物质组成的网格结构，将水固定住了，那如果把水换成空气呢？1931年美国人基斯特勒，根据这个原理将硅胶空隙里的水成功替换成了空气制成了气凝胶，但是由于在当时气凝胶的制备技术比较困难，一直也没有得到重视。直到1970年，里昂大学在研发储存氧气和燃料的物质时，用新的制备技术制出了更高质量的二氧化硅气凝胶，由此气凝胶正式出现在了科学家面前。

基斯特勒 图源：http://materiability.com/aerogels/

气凝胶的密度很低，是世界上最轻的固体，内部80%都是空气，放在花朵上甚至不会压弯花蕊，同体积重量甚至轻于空气，具有隔热、耐高温、降噪音、防爆、吸附、耐腐蚀、催化、透光等特性。与传统材料相比，可以用更轻的质量，更小的体积达到更好的效果，就隔热效果来说，厚度仅为传统材料的几分之一的气凝胶，隔热效果却是传统隔热材料2-5倍。

气凝胶行业的发展

随着人类的太空探索，由近地轨道太空环境，到深空太空环境甚至未来外星球环境扩展。人类迫切需要一种轻量材料可以适应液氮、高温、极寒、太空腐蚀等各种恶劣环境保护航天器和航天员。而气凝胶这种具有极致性能的特种材料成为实现人类走向深空深海梦想的先决条件，这也让气凝胶被誉为能够改变世界的材料。1997年，火星探路者号首次使用了气凝胶材料，由于气凝胶材料具有良好的隔热效果，可以保证太空设备不受高温的破坏，自此气凝胶材料就成为航空航天设备上的标准隔热材料。

气凝胶 图源：https://www.sohu.com/a/307479756_120117538

除了在航空航天领域的应用，气凝胶在建筑领域的应用也很受重视。由气凝胶制成的节能玻璃可以应用在节能住宅中，减少住宅的热量损失。传统住宅通过门窗损失的热量，约占建筑总的热量损失的40% ~50%，而应用气凝胶真空玻璃的节能住宅，可以减少总耗能的19%。另外，气凝胶制成的气凝胶毡在建筑管道的保温和隔水上，也有很出色的表现。

中国气凝胶的发展：后来者居上

在历史上，气凝胶的专利技术一直被美国占有，中国想要应用，需要付出高昂的专利费用。2013年，我国浙江大学研究团队研发的气凝胶—碳海绵打破了世界最轻固体的吉尼斯纪录，这种超轻气凝胶利用碳纳米管和石墨烯，密度达到了0.16毫克每立方厘米，约是空气密度的1/6，将碳海绵放在狗尾巴草上一点也不会被压弯。

碳海绵 图源：http://www.hnmes.cn/forum.php?mod=

中国气凝胶前期主要来源于国外进口，但是价格比较昂贵，市场发展也比较缓慢。但随着中国气凝胶行业的快速发展与制备技术的快速进步，中国的气凝胶的产品和种类逐渐丰富，特别是在建筑保温材料及节能环保领域，得到了大量应用；与此同时，中国的气凝胶产品在价格上也具备了一定的经济优势，逐渐开始向国外出口，中国气凝胶行业的快速发展引起了国外同行们的注意。

2016年美国阿斯彭气凝胶向美国国际贸易委员会ITC提起了337调查申请，称来自中国的两家企业的产品侵犯其复合气凝胶隔热材料和制造方法相关的专利。2018年ITC做出部分终裁，裁定两家中国公司存在侵犯知识产权的行为。此次调查事件引起了国内气凝胶行业及科研人员对气凝胶专利产权的高度重视。2016年到2018年，中国气凝胶专利申请人数急剧增加。从2016年的1000多件增加到2018年的3000多件，越来越多的企业和研发机构涌入这一领域。

图源：https://www.sohu.com/a/221497790_100046295

此次天问和祝融上火星对我国气凝胶的研究，提出了更高的要求。中国航天科工三院306所专门为天问和祝融定制了两种不同的高性能纳米气凝胶材料与普通气凝胶相比，纳米气凝胶中的3D网络孔径大大缩小，仅为6-13纳米，孔隙率可以高达99.8%，使得纳米气凝胶的导热系数大大降低，可以阻隔祝融着陆时发动机1200度高温；而另一种耐低温纳米气凝胶用于隔冷，覆盖于整个祝融火星车的表面为祝融号。

气凝胶不仅能上火星，还能送“太空快递”，“天舟二号”上运送太空物资的“超级冰箱”里面也安装了纳米气凝胶制成的真空隔热板。不管外部环境怎么变化，都能保证超级冰箱里物资的温度，保持很低的水平保证物资的安全性和有效性。

结语：

除了上九天揽月，气凝胶材料在日常生活中也得到了大量应用。防寒服、防寒鞋、新能源汽车都有它的身影，甚至还能吸收泄漏在海上的石油。未来，中国还会有更多超强材料问世，让中国人的足迹踏到更多险恶环境，有了中国制造，征服星辰大海，不在话下。

参考文献：

[1]百度百科：气凝胶

[2]东北证券，《气凝胶国内发展正当时》

[3]中国科学院，《世界上最轻的固体——气凝胶》

[4] 材料科学前沿，《气凝胶： 一个百亿美元空间的新材料赛道》

[5] 国家航天局 中国航天科工