從辦公室窗戶到火星棲息地,科學家首亮相透明氣凝膠

作者 | 發布日期 2018 年 08 月 14 日 16:54 | 分類 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

氣凝膠是世上最輕的固體,以極強隔熱能力矗立在材料界頂端,但由於不太透光的外表,儘管隔熱能力一流卻不適合當窗戶。現在,美國科羅拉多大學波德分校科學家找到一種方法,能從啤酒副產品製造出透明又高度絕緣的凝膠。



除了石墨烯,氣凝膠(Aerogel)也是這世代令人驚奇的材料,擁有強大隔熱功能,密度僅次於全碳氣凝膠,還是目前世上已知最輕的固體,內部有 90% 以上都是空氣,密度僅 3mg/cm3。

氣凝膠有許多暱稱,比如凍結煙霧(frozen smoke)、固態煙霧(solid smoke)、固態空氣(solid air)、藍煙(blue smoke)、舊金山之霧(San Fransisco fog)等,自 1931 年問世以來拿下 15 項以上金氏世界紀錄。

之所以得名凍結煙霧,是因為氣凝膠具微觀樹突立體結構,內含數十億個微小孔洞誘捕空氣,防止熱量通過,但與此同時也會散射大量光線(每個孔洞尺寸不大於 100 奈米),使外表看似有如凍結的煙霧不透光。基於這原因,氣凝膠雖然隔熱功能強大,卻一直無法有效應用於大面積窗戶。

科羅拉多大學波德分校團隊為了製造出既能隔熱又透光的凝膠,首先將眼光瞄向纖維素(cellulose),透過小心控制纖維素的分子連接方式,將分子排列成格子狀結構,如此一來,光線就可以順利通過,使凝膠變透明。

接下來就是尋找適合的纖維素,研究人員相中一種普遍又不起眼的物質,來自釀造啤酒時產生的副產品:啤酒麥芽汁(beer wort)。

從酒廠回收麥芽汁廢料後,團隊往裡添加一種獨門細菌,能在兩週內從啤酒麥芽汁培養出纖維素(cellulose),之後就可以促使這些纖維素分子組裝成奈米纖維,轉變為凝膠。最終結果,團隊生成了柔韌的透明凝膠薄膜,重量比玻璃輕約 100 倍,而隔熱效果之強又允許你隔著它點燃打火機,但你的手不會有任何被火燒到的感覺。

▲ 氣凝膠的隔熱效果如圖,底下火焰完全燒不到放在氣凝膠上的花。(Source:By Aerogelflower.jpg: No information.derivative work: JovanCormac (Aerogelflower.jpg) [Public domain], via Wikimedia Commons

 

團隊表示,透明氣凝膠最適合充當薄膜黏在現有窗戶上,可以大幅提高隔熱性,扭轉大多數窗戶隔熱不良的缺點。據美國能源部數據顯示,用來加熱/冷卻建築物內部環境溫度的能源,最後有四分之一能量都從窗戶逸散,致使建築商每年損失數十億美元(額外電費之類的),有了氣凝膠隔熱,屆時便能大幅減少能量損失。

這技術也能應用在智慧型衣料、絕緣汽車來保護衝陷火場的消防人員;或是再奇幻一點,研究作者、科羅拉多大學波德分校物理系教授 Ivan Smalyukh 說,搞不好有天你可以穿著氣凝膠製成的透明服裝,跑去南極和企鵝共游。

除了地球應用,透明氣凝膠也有機會出現在地球之外,比如火星或月球棲息地,有了這層膜,在屋內的太空人就能免受巨大溫差與低溫所苦。新論文發表在《Nano Energy》期刊。

(首圖來源:科羅拉多大學波德分校