氣凝膠 — 由空氣構成的物質及其特性


簡介

在1931年，美國化學工程師Samuel Stephens Kistler博士與同事Charles Learned博士打賭，說他們可以把啫喱內的液體換成氣體而不會使它塌陷。他們把這個概念稱為「氣凝膠」，並最終使用二氧化矽造出史上第一塊氣凝膠 [1]。此後，其他材料，譬如氧化鋁、纖維素、卵白蛋白、橡膠和瓊脂都被用於製作氣凝膠 [1, 2]。你知道氣凝膠是怎樣製造的嗎？讓我們探索一下氣凝膠的科學和它一系列的應用，這全都要歸功於它的密度和隔熱特性。

如何製造氣凝膠

要明白如何製造氣凝膠，我們首先要了解果凍的結構 — 對，是香甜有彈性，大家都喜愛的果凍啊！想像你正在廚房準備果凍，你需要用上三種材料：果凍粉、水和糖。我們可以暫且忽略糖，因為它只為果凍提供甜味。製作出來的果凍含有95% 水份和少量的多孔固體結構，這樣的結構被定義為水凝膠（hydrogel）。要製作氣凝膠，我們會希望把水凝膠當中的水轉換成氣體。

要把水凝膠中的水換走這個步驟聽起來很簡單，但其實非常複雜。如果你僅是把凝膠加熱令當中的液體汽化，液體分子之間的吸引力會令凝膠的固體網狀結構因毛細管作用塌陷，令整塊凝膠收縮。試想像溶劑分子不斷從凝膠汽化，剩下的液體分子藉著分子間的吸引力不停把餘下的分子拉在一起，以彌補分子流失所產生的空位以維持凝膠的密度。這會在纖巧的凝膠骨架產生一股向內收縮的壓力，令網狀結構塌陷並收縮。

在Kistler博士的論文中，他提出了一種名為「超臨界乾燥（supercritical drying）」的方法，過程涉及兩個步驟 [2]。首先，把水凝膠浸進酒精裡，凝膠中的水可以通過擴散作用被換成酒精。然後，把水凝膠放進一部名為高壓釜（autoclave）的機器裡，並把溫度和壓力提高至其臨界點（critical point）以上，令水凝膠中的酒精處於「超臨界流體（supercritical fluid）」的狀態，當中獲得極大動能的分子會高速移動，分子間的吸引力因而變得微不足道。如果我們在這時把溫度維持在臨界溫度以上，但把高壓釜減壓，水凝膠內的所有流體都會變成氣體（圖一）。透過超臨界流體這個相把液體變成氣體，固體的凝膠結構能得以保存，因為我們避免了分子間吸引力所帶來的毛細管作用。瞧，你已經成功從水凝膠製造出氣凝膠了。

甚麼是超臨界流體？

你應該對（在某一壓力下的）沸點和熔點，以及物質三態的概念非常熟識。可是，當物質處於其「臨界點」以上的高溫和高壓下，它也可以以「超臨界流體」的狀態存在，當中的分子完全氣化，但被壓縮至像液體分子一樣高的密度。因此，超臨界流體能同時展示以上兩個物態的特性，液相和氣相之間的區別變得模糊，包括視覺上的分界。酒精甲醇的臨界壓力和溫度分別為8.1035 x 106 Pa（大約80 atm，即是大氣壓力的80倍）和512.6 K（239.45 ℃）[6]。


圖1: 甲醇的相圖和超臨界乾燥時的物態改變（見紅色箭頭）
* 圖未必依比例畫。

有趣的特性和應用

好耶！我們知道怎樣製造氣凝膠了，然後呢？讓我們認識一下其有趣的特性，分別是密度和隔熱能力。事實上，氣凝膠最多可以含有高達99.9% 的空氣 [3]，這使氣凝膠擁有穩妥的結構之餘亦非常輕巧。理所當然地，世界上已知最輕的固體亦是一種氣凝膠，名為石墨烯氣凝膠（graphene aerogel）或空氣石墨（aerographene），它在真空下比空氣輕7.5倍 [3]。另一個有趣的特性是其絕佳的隔熱能力。空氣本身是一個差勁的熱導體，但它仍然可以透過對流傳熱。然而，氣凝膠中狹窄的奈米結構能阻礙空氣分子自由和有效地流動，令裡面的空氣不能透過對流傳熱 [4]，使氣凝膠成為甚至比空氣更佳的熱絕緣體。

氣凝膠其中一個最受大眾歡迎的應用，大概是美國太空總署在多次太空任務上的應用了 [5]。在星塵任務中，氣凝膠被用於收集星際塵埃，因為高速移動的塵埃分子能在氣凝膠像海棉般的多孔結構中逐漸減速並嵌入其中。此外，在火星探索任務中，氣凝膠被用作保護火星探測器中的電子電路，確保其能在火星極大的日夜溫差下正常運作。

從氣凝膠的故事，我們可以了解到一個突破性的發明最初可能只來自一個簡單而有趣的想法。誰知道你的想法有一天可能亦會帶來科技上的突破呢？

參考資料


  1. Gurav JL, Jung IK, Park HH, Kang ES, Nadargi DY. Silica Aerogel: Synthesis and Applications. J Nanomater. 2010;(2010):1-11.
  2. Kistler SS. Coherent Expanded Aerogels and Jellies. Nature. 1931;127(3211):741. doi:10.1038/127741a0
  3. Sun H, Xu Z, Gao C. Multifunctional, Ultra‐Flyweight, Synergistically Assembled Carbon Aerogels. Adv. Mater. 2013;25(18):2554-2560.
  4. Veritasium. World's Lightest Solid! YouTube. Updated June 1, 2019. https://www.youtube.com/watch?v=AeJ9q45PfD0.
  5. NASA. Aerogel – Catching Comet Dust. STARDUST – NASA’s Comet Sample Return Mission. Updated March 31, 2005. https://stardust.jpl.nasa.gov/tech/aerogel.html.
  6. 6. Vesovic V. METHANOL. Thermopedia. Updated February 14, 2011. http://www.thermopedia.com/content/952/. doi:10.1615/atoz.m.methanol

作者:
Randy Stefan TANUWIJAYA
《科言》學生編輯
香港科技大學

2021年9月