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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）

二手烟、三手烟的危害究竟有多大？******

　　最近，一对60多岁的夫妻先后确诊了肺癌。妻子介绍，自己丈夫吸烟将近50年，没想到自己比他先患上肺癌。夫妻一方吸烟，另一方势必会被动地吸到二手烟、三手烟。

　　吸烟是导致肺癌的首要原因，即使不患肺癌，烟草也会对肺功能造成其他严重的损害。

　　每当劝身边人戒烟时，总会被这样的话噎住：“隔壁那谁，抽了一辈子烟，也活得好好的……”还有类似“我抽烟我身体不好，和你没什么关系”这样的话语。其实，抽烟不仅仅对抽烟者的身体有害，二手烟、三手烟对其他人也有很大危害，甚至超过了对抽烟者自身的危害！

　　什么是二手烟、三手烟？

　　点燃一支烟，吸烟者吸入的是经过过滤的烟雾，剩下大部分未经过滤的烟雾，就成为了“二手烟”。二手烟由两种烟雾混合而成：侧流烟和主流烟。侧流烟指的是直接从纸烟、雪茄或者烟斗里飘出的烟，主流烟则是从吸烟者嘴里吐出的烟雾。

　　二手烟中，有大约250种有毒物质，其中至少69种致癌，金属、烟草特有亚硝胺及多环芳烃等有害物质。据世界卫生组织报告，烟草每年使全球800多万人失去生命，其中，有120万非吸烟者死于二手烟暴露导致的疾病。同时二手烟暴露也是导致冠心病的重要因素。

　　三手烟其实来源于二手烟，但是比二手烟成分要复杂。“三手烟”是指附着在衣服、墙壁、地毯、家具甚至头发和皮肤等表面的残留烟草烟雾，所含的有毒成分包括氢氰酸、丁烷、甲苯、砷、铅、一氧化碳以及超过十种高度致癌的化合物。

　　三手烟会附着在接触到的任何物体上，且随着时间的推移而累积，可以渗入到地板和墙壁中，很难清除和清洁。此外，吸附在物体表面的三手烟还会重新散发到空气中，与氧化剂反应和其他化合物产生二次污染物。有研究表明，烟草烟气中残留的尼古丁会与环境中的一氧化二氮发生反应，形成致癌的烟草特异性亚硝胺。

　　二手烟、三手烟的危害有多大？

　　很多人认为，只要不在家人面前吸烟就不会对家人身体造成影响，但这种观点是错误的。相关研究指出，吸烟的父母就算不在他们的婴儿面前吸烟，却仍然从婴儿尿液中验出尼古丁的代谢物可丁宁，其含量是一般婴儿的5.58倍。

　　吸二手烟、三手烟的危害，可能比吸烟者还大！这是因为香烟点燃后外冒的烟与吸入的烟相比，一些致癌物质的含量更高，如一氧化碳含量高5倍，焦油和尼古丁高3倍，苯高4倍，氨高46倍，亚硝胺高50倍，这些物质被不吸烟者经鼻吸入呼吸道后，一样可损害气管上皮细胞，诱发癌变。

　　对女性来说，长期暴露在二手烟下可导致容颜早衰、月经紊乱、雌激素低下、骨质疏松，严重的还将引发宫颈癌、子宫癌等疾病。

　　儿童更易受到三手烟的危害，他们成天爬来爬去，嬉戏玩耍，经常接触到被污染的表面。由于婴幼儿和儿童体重相对成人低，免疫系统较脆弱，吸入这些有害物质后，最直接的后果就是引起婴幼儿的呼吸系统问题，如急性支气管炎、哮喘等。另外，环境中的烟草残留物，也可对儿童的神经系统、呼吸系统、循环系统等造成不小的危害。

图源：摄图网

　　如何尽量减少二手烟、三手烟的伤害？

　　如果无法避免经常暴露在二手烟或三手烟的环境中，可以通过以下几点措施，尽量减少二手烟、三手烟对自己的伤害。

　　开窗通风。在室内即使只吸一支烟，也需要开窗通风16个小时以上，才能使PM2.5浓度恢复之前的水平。除了开窗通风，室内还可以适当摆放绿植，必要时可使用空气净化器。

　　及时清洗衣物。若身边有人吸烟，不要在吸过烟的环境中长期停留，回家后应更换衣服且洗澡。及时更换可能存在三手烟的物品如衣物、窗帘、地毯、床上用品等，并且避免在室内留放吸烟用品。

　　多吃水果蔬菜。多吃富含胡萝卜素及维生素C的新鲜蔬果，适当喝些绿茶，这些食物有助于清除烟进入人体后产生的自由基，减少伤害。

　　远离吸烟者。在室外尽量少在吸烟场所逗留，尤其是婴幼儿、青少年及体弱多病者等特殊人群。外出旅游时，尽量选择待在无烟区。乘车时，选择无烟车厢；住酒店时，选择无烟的房间。

　　劝他人戒烟。如果避无可避，要对吸烟者果断说“不”，让他不要在公共场所吸烟。

　　癌症是多个因素综合作用的结果，吸烟只是其中的一个重要因素，但这是最重要的一个因素，又是一个绝对可以控制的因素，为爱人，为子女，为了身边的人，为了健康，戒烟吧！

　　来源：科技日报、中国疾病预防控制中心、生命时报、人民日报、科普熊猫、广东卫生信息

　　整理：刘雪洁

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）