说说气凝胶

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前些天跟gerry讨论Universe一书的校对,提到了隼鸟号探测器采集小行星样本的经过,由此就引出了为何不使用气凝胶的问题,因为更早的星尘号探测器采集彗星样本时就是借助气凝胶的,采集效率很高,如果隼鸟号也用了类似的方法,恐怕就不会只收集到那一点点小行星尘粒了。当然隼鸟号没有用到这一材料可能是出于技术方面或者样本特性的考虑,具体原因也不在本文讨论范围之内,不过气凝胶这东西本身还是相当神奇的,值得一写。说来本人还有幸见过气凝胶的实物,看上去这东西飘渺得很,宛如蓝色的轻烟一般(实际上它的确别名蓝烟),不过它是实打实的固体。gerry怀疑展柜是为了防止气凝胶变质特殊设计的,不过恕我眼拙,真不觉得这玻璃柜有什么特殊的,而且印象里这种材料也不是那么的娇气:说说气凝胶美国国家航空航天博物馆内展出的气凝胶样品。气凝胶是个什么东西呢?凝胶大家应该都不陌生吧?气凝胶就是将凝胶中的液体成分用气体来代替而制成的。这种物质的密度相当低,据说每立方厘米只有3毫克,只是空气的3倍。不过别看它密度低,其坚固性一点不差,比如区区2克的气凝胶就可以支撑起2.5千克的砖头:说说气凝胶图片来源:Wikipedia当然如果用力下压的话,气凝胶表面还是会产生永久性凹陷的,再用力它就会破碎了(不过有些新型气凝胶也不是那么的易碎),但是比起它的密度,其强度已经是相当高了。另外它的绝热性能也极为优异,热传导和对流对它无能为力,因此一薄层气凝胶足以隔绝本生灯的热量,放置其上的花朵不会因为受热而枯萎:说说气凝胶图片提供:LBL气凝胶的另一大特性是吸附能力超强,哪怕吸收了大量水分,表面仍保持干燥,因此为了避免皮肤脱水,不建议直接手持气凝胶。所有这些特点都与气凝胶的结构有关。这种材料的成分以空气为主(占据99.8%以上)。它的微观结构是聚集成簇的纳米级球形颗粒,颗粒簇组成了多孔的三维分形枝状结构,孔洞大小不到100纳米。这样的结构可以保证足够的强度,还带来了良好的吸水性;同时由于空气占据了绝大部分,整体密度又很低。空气的导热性很差,所以气凝胶绝热性能优异(不过具体情况还取决于材料,如硅或碳气凝胶有着绝佳的绝热性能,但金属气凝胶未必)。至于凝胶的蓝色外观,是光线在多孔的枝状结构中发生瑞利散射的结果,可以类比于蓝天的成因。虽然气凝胶外观飘渺,并有蓝烟、固态空气、固态烟、冻结烟雾等诸多别名,但是据说它摸起来与聚苯乙烯类似,想来这得是多么诡异的事情……最经典同时用途也最广的气凝胶配方是硅基的。这种材料要追溯到20世纪30年代斯坦福大学的Steven Kistler进行的工作。Kistler指出,凝胶的结构是充斥着液体的多孔侧壁。出于与Charles Learned打赌的目的,他发明了超临界干燥的方法,通过提高温度和压力,迫使凝胶中的普通流体变成超临界流体,然后突然减压,让液体汽化并逃逸出去,留下气凝胶而不会因毛细作用而破坏多孔的结构。金属基以及碳基气凝胶是更晚近才开发除了的材料,前者常用作催化剂,后者由于超大的表面面积、良好的绝热和导电性能而被用于采集太阳能以及制造超级电容。此外还有琼脂、硫族元素等材料制成的气凝胶。说说气凝胶星尘号探测器的气凝胶样本采集器。(图片提供:NASA/JPL/Caltech)气凝胶在航天上最出名的应用就是星尘号彗星探测器的采样装置了。星尘号的目标是采集怀尔德2号彗星的样本,以提供太阳系起源和原初组分的线索。高速彗星尘埃受热易挥发,会直接穿过气体,撞击固体,携带液体进行深空飞行又不大现实,因此用传统方式难以采集它们。但当尘埃撞向气凝胶后,由于气凝胶低密度且多孔的特性,尘埃会逐渐减速,最终束缚其中,并在留下长度相当于尘埃尺度200倍的锥状尾迹,但气凝胶本身不会破裂,尘埃的理化特性也不会改变。这样探测器不仅采集了尘埃,还可以记录下尘埃运动的方向。只要使用立体显微镜,就可以看到这些尾迹并将尘埃收集起来了。说说气凝胶气凝胶中的彗星尘埃样本。(图片提供:NASA)而如果彗星尘埃撞击的不是气凝胶,而是支撑气凝胶的金属框架,撞击溅出的颗粒会在相邻的气凝胶中撞出微型陨击坑,也是有意思得很:说说气凝胶图片提供:NASA/JPL除此之外,气凝胶是上好的绝热材料,如火星探路者号火星车以及宇航服上的绝热层就是用它制作的,而国外也有商业公司开始开发商用的气凝胶绝热层。气凝胶还可以用于吸收化学物质、承载催化剂、净化污水等。由于气凝胶的折射率很低(介于液体和气体之间),它也是切伦科夫探测器辐射计的理想材料。甚至高级羽毛球和网球球拍上也会用到气凝胶。gerry怀疑隼鸟号探测器没有采用气凝胶的原因是因为日本不具备制备这一材料的能力。但是本人至少知道有日本的切伦科夫探测器确实用到了这种材料,所以此说应该不成立。那么其中的原因难道是撞击产生的小行星尘埃要比彗星尘埃块头更大,容易击穿气凝胶么?还是说小行星尘埃成分以岩石碎片为主,理化性质较冰雪为主的彗星尘埃更为稳定,犯不着动用气凝胶?实在想不通啊……内容来自 Bo Zhang's Homepage

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