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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）

静心探索重要的基础科学问题不求“短平快”70后物理学家翁红明******

　　翁红明在讲解电子运输理论。

　　田春璐摄

　　人物简介：

　　翁红明，1977年出生，现为中国科学院物理研究所凝聚态理论与材料计算实验室研究员 、博士生导师 。主要致力于凝聚态物理计算方法和程序 的开发以及新奇量子现象的计算研究，成果入选2015年度中国科学十大进展、英国物理学会《物理世界》2015年度十大突破 、美国物理学会《物理评论》系列期刊创刊125周年纪念文集等。

　　在中科院物理研究所（以下简称“物理所”） 的年轻人里，研究员翁红明是小有名气的一位。就在刚刚过去 的2022年，他因在数学物理学领域的杰出贡献，获得第四届“科学探索奖” 。

　　在国际计算凝聚态物理研究领域，翁红明成果颇丰。其中最为人称道的 ，是他和同事们合作首次在固体中观测到外尔费米子和三重简并费米子的准粒子 。这 是国际上物理学研究 的重要科学突破，对拓扑电子学和量子计算机等颠覆性技术的诞生具有非常重要 的意义。

　　自由思考、厚积薄发，真正对人类文明有所贡献

　　1928年 ，英国物理学家保罗·狄拉克提出了描述相对论电子态 的狄拉克方程 。1929年 ，德国科学家赫尔曼·外尔指出 ，当质量为零时，狄拉克方程描述 的是一对重叠的具有相反手性的新粒子，即外尔费米子 。这种神奇的粒子带有电荷 ，却不具有质量，因而具有确定的手性（指一个物体不能与其镜像相重合 ，如我们 的双手，左手与右手互成镜像，但不能重合）。

　　但是80多年过去了 ，科学家们一直没有能够在实验中观测到外尔费米子 。直到2015年1月初，中科院物理所方忠研究员带领 的研究组与普林斯顿大学研究小组合作，从理论上预言了在以砷化钽为代表 的一批材料中存在着外尔费米子。此后 ，这个理论预言经过实验得到了进一步验证。

　　在研究过程中，翁红明发挥了至关重要 的作用。他从发表于1965年 的一篇实验文献中受到启发，并通过第一性原理计算，初步认定砷化钽晶体等同结构家族材料可能 是无需进行调控 的 、本征 的外尔半金属。这类材料能够合成 ，没有磁性，没有中心对称，是实验制备 、检测都非常便捷的绝佳材料 。

　　翁红明说 ：“这一发现 的难度在于 ，从众多材料中找到合适 的对象犹如大海捞针 ，必须对外尔费米子和材料物理特性都有相当认识才行。”

　　在外尔费米子被发现的一年后 ，翁红明和同事们又进一步“预言” ：在一类具有碳化钨晶体结构的材料中存在三重简并的电子态 。

　　2017年6月，这个新预言被实验证实，三重简并费米子被首次观测到 。这是物理所科研团队继拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应 、外尔费米子之后，在拓扑物态研究领域取得的又一次重要突破 ，引起国际物理学界广泛关注。

　　成绩源于多年 的深耕积累。翁红明很享受在物理所工作 的经历：“这无关荣誉，我找到了更感兴趣 、更加深入 的研究领域和方向 。”

　　自由思考、厚积薄发 ，一直是翁红明喜欢 的学术氛围 。他所追求的不是多发表文章，而是能攀登科学高峰，真正对人类文明有所贡献。

　　科研仅靠一个人或一个小组的力量是不够 的

　　作为理论物理学家，翁红明专攻量子材料的计算和设计 。

　　物理学通常分成两大类 ，即理论物理和实验物理 。理论物理通过理论推导和公式推算得出 的结论被称为“预言”，“预言”必须通过实验验证才能成为国际公认 的科学事实 。

　　在翁红明看来，他接连获得的几次重大发现，都离不开与同事们的通力合作。这，也是他做科研一直特别重视的一点 。

　　“理论预言 、样品制备和实验观测 ，这三个环节缺一个都不行。”翁红明说 ，“在当今科学领域细分程度非常高 的情况下 ，科研仅靠一个人或一个小组的力量是不够 的 。当有重要任务目标时 ，我们几个小组紧密合作 ，在理论、样品 、实验等环节实现了环环相扣 、无缝对接。”

　　在许多人 的想象中 ，理论物理学家的工作 ，就是每天独自埋头在稿纸堆里计算推演，然后坐着冥思苦想 、灵光乍现。

　　但翁红明认为 ，计算推演 的确要做，思考分析也不可少，但和同行们 的交流也非常重要 。他每天上班 的第一件事就 是查看和了解国际上最新 的科研进展，然后分析 、思考 、计算 ，再把自己 的想法跟同事们交流 。“很多时候 ，我 的一些想法 ，或者说突然的一些灵感 ，其实都 是在思考、交流和工作过程当中产生 的。”

　　“发现三重简并费米子”这一成果 ，就源于翁红明和石友国 、钱天两位同事一次喝咖啡时的思想碰撞。

　　物理所的咖啡厅在学术界享有盛誉，不但因为咖啡好喝，也因为常有科研人员汇聚在此畅聊科学、各抒己见，聊着聊着 ，灵感经常“火花四射”。

　　和大家一样，翁红明、石友国和钱天工作之余也喜欢在咖啡厅一聚 。翁红明有什么新想法会第一时间告诉他俩 ；石友国和钱天在实验过程中有什么新发现或疑惑，也会第一时间反馈给翁红明。

　　“闲聊中就能交换信息 ，我们的交流是完全敞开 的，毫无保留地让大家知道彼此做了什么 。”翁红明说 。

　　翁红明告诉记者，在科研道路上，自己非常珍视的成功秘诀有两个 ，一个 是注意总结和积累，另一个就是跟别人多交流。

　　“目前我努力发展基于大数据和人工智能的凝聚态物质科学研究 ，其实也是基于这两点考虑 ，因为所有人 的知识积累都体现在这些数据当中。”翁红明说 。

　　做研究应该抓住一些更新奇 、更本质 的问题

　　1977年 ，翁红明出生在江苏泰兴一户普通人家。他的父母都 是农民，家里还有一个姐姐。

　　初中开始，翁红明第一次接触到物理，从此便沉迷其中 。“物理让我对周围 的世界有了更深入 的了解和认识。”翁红明说。

　　兴趣 是最好 的老师 。对物理 的热爱 ，指引着翁红明叩开了物理科学 的大门 。

　　1996年 ，翁红明参加高考 。在填报志愿时，他毫不犹豫地将所有的志愿都填上了物理 。最终 ，他如愿被南京大学物理系录取。

　　南京大学 的物理系在凝聚态物理领域积淀很深。翁红明在这一领域进行相关知识的学习与研究，一学就 是9年，直到博士毕业。毕业后，他去了日本的东北大学金属材料研究所做博士后研究 ，主要研究各种材料 的导电性质。

　　到日本一年半后 ，翁红明萌生了转换研究方向的想法。

　　“我想要转到计算方法和程序 的发展上 ，这 是凝聚态物理领域中一个最基础也是最具有核心竞争力的方向 。”翁红明说 ，“如果想要在这个领域有长远发展，就要在这个方向上有一定 的积累 。”在他看来，静下心来探索重要的基础科学问题，要比做一些“短平快”研究更有意义。

　　想归想 ，但真正下定决心，翁红明也经过了一番纠结。

　　他坦言：“当转到一个更基础 的方向，也意味着你在未来 的几年甚至是更长的时间里都需要耐得住坐冷板凳 。所以必须做好思想准备，去做一些积累性的工作。”

　　2008年 ，翁红明 的人生又有了一次重大转折 。

　　那一年 ，物理研究所研究员、博士生导师方忠到日本访问交流，翁红明跟他进行了深入的交谈和讨论。

　　翁红明告诉记者：“他跟我介绍了当时做的一项很有意思的工作 。虽然我那时并没有很深刻的理解，却受到很大的启发——做研究应该抓住一些更新奇、更本质的问题。”

　　在方忠的影响下，2010年，翁红明决定回到国内 ，入职物理研究所，成为方忠团队 的一名成员。

　　翁红明说：“每个人在一生当中可能会跟很多人交往交谈，但在人生重要转折时刻能够给你启发 的却不多 。能有这样 的机遇去跟方忠老师交流并受到启发，我觉得这是非常宝贵和幸运的。”

　　在新的一年里 ，翁红明说自己有很多研究工作要做，尤其 是如何在拓扑电子学器件研究方面取得突破，促使拓扑电子态理论变成可落地应用的技术 。而这 ，需要跟器件和应用等方向 的研究人员进行交流和讨论。

　　翁红明相信 ，拓扑时代 的黎明时分正在临近。（记者 吴月辉）

　　（文图 ：赵筱尘 巫邓炎）