神奇的納米保溫材料

張牧文

同學(xué)們，在“十四五”期間，我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)入了以降碳為重點(diǎn)的戰(zhàn)略方向。這意味著，2021—2025年，我們將努力降低能源消耗和碳排放。

對(duì)于保溫材料行業(yè)來(lái)說(shuō)，這既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。傳統(tǒng)的保溫材料，比如玻璃纖維、巖棉、泡沫玻璃、泡沫陶瓷等，雖然具有一定的保溫性能，也能在一定程度上滿足節(jié)能要求，但是在“雙碳”的目標(biāo)下，能耗需要進(jìn)一步降低，保溫性能也需要進(jìn)一步提升。在這樣的背景下，性能優(yōu)異的納米保溫材料，成了重要的升級(jí)替代產(chǎn)品。

同學(xué)們對(duì)納米材料或許已經(jīng)有了一些了解，那么，你們知道為什么納米材料的保溫性能這么好嗎？我們以納米氣凝膠材料為例，一起來(lái)探究一下吧！

獲得多項(xiàng)世界紀(jì)錄

氣凝膠，具有納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它的物理形態(tài)是固體，但是看起來(lái)像氣體，輕若薄霧，泛著藍(lán)色，又被稱為“藍(lán)煙”。氣凝膠材料獲得多項(xiàng)吉尼斯世界紀(jì)錄，在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等領(lǐng)域顯示出許多獨(dú)特的性能，被稱為“改變世界的神奇材料”。

熱量的傳遞

為了弄清楚氣凝膠材料的保溫原理，我們首先要知道熱量是如何傳遞的。同學(xué)們?cè)谖迥昙?jí)上冊(cè)第二單元《熱傳遞》中了解到，熱量有3種基本傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。其中，熱傳導(dǎo)通常通過(guò)固體介質(zhì)，熱量從高溫部分向低溫部分傳遞;熱對(duì)流通常通過(guò)氣體或液體介質(zhì);熱輻射通常不需要任何介質(zhì)。那么，請(qǐng)同學(xué)們先仔細(xì)觀察氣凝膠材料的微觀結(jié)構(gòu)，再思考：對(duì)于氣凝膠材料而言，這3種熱量傳遞方式分別是由哪一部分完成的呢？

納米結(jié)構(gòu)隔熱好

熱傳導(dǎo)主要由氣凝膠材料中的固體部分來(lái)完成。同學(xué)們?cè)趫D片中看到的一個(gè)個(gè)小圓球就是一個(gè)個(gè)氣凝膠固體顆粒，這些顆粒非常小，達(dá)到納米級(jí)別。氣凝膠具有極高的孔隙率，意味著氣凝膠材料中有非常多的氣孔。氣孔周圍的氣凝膠顆粒連接在一起，就像一堵堵墻壁，可以稱它為“氣孔壁”。熱傳導(dǎo)發(fā)生時(shí)，熱量就是沿著氣孔壁傳遞的。氣孔壁越長(zhǎng)，熱量需要走過(guò)的路徑就越長(zhǎng)，便越難傳播。由于氣凝膠材料中有著近于無(wú)窮多的納米孔，氣孔壁也被大大拖長(zhǎng)，從而有效降低了熱傳導(dǎo)的效率。

熱對(duì)流主要由氣凝膠材料氣孔中的氣體完成。同學(xué)們?cè)谖迥昙?jí)上冊(cè)第六課《熱對(duì)流》中做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：用玻璃罩倒扣住點(diǎn)燃的線香，觀察線香冒出的煙是怎樣飄動(dòng)的。通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們了解到：熱對(duì)流時(shí)，空氣是循環(huán)流動(dòng)的。但是，空氣的這種自由活動(dòng)是有條件的，它需要足夠的空間，這個(gè)空間在70 納米左右。氣凝膠材料中的氣孔大小達(dá)不到這個(gè)條件，因此空氣無(wú)法自由活動(dòng)，就不會(huì)發(fā)生空氣對(duì)流。這樣一來(lái)，氣凝膠的熱對(duì)流效率就降低了。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

熱輻射的傳遞不需要任何介質(zhì)。但是氣凝膠材料內(nèi)有很多氣孔壁，每一面氣孔壁都充當(dāng)了一面“遮熱板”，它們會(huì)將其他部位輻射過(guò)來(lái)的熱量進(jìn)行反射，形成對(duì)熱輻射的層層障礙。熱量在氣凝膠內(nèi)部發(fā)生無(wú)數(shù)次反射，因而降低了熱輻射的效率。不過(guò)，在400℃以上的高溫下使用時(shí)，仍然需要加入遮光劑來(lái)增強(qiáng)氣凝膠對(duì)高溫紅外線輻射的抵抗。

同學(xué)們，這下你們明白氣凝膠材料為何被稱為超級(jí)絕熱材料了吧？在重重保障之下，它的隔熱性能達(dá)到傳統(tǒng)保溫材

料的3～5倍，節(jié)能效果提升50%以上。除此之外，氣凝膠材料還有許多優(yōu)點(diǎn)，比如它的使用壽命是常規(guī)材料的8～10倍，使用厚度只有普通材料的20%～50%，非常節(jié)省空間。氣凝膠材料不僅隔熱，而且防水、抗?jié)B、抗震，維護(hù)成本低，更加可靠。得益于納米材料的諸多優(yōu)點(diǎn)，它在航天航空、建筑、服裝等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。不過(guò)，目前氣凝膠材料制作成本較高，限制了它的應(yīng)用。隨著氣凝膠制備技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信氣凝膠材料將獲得廣泛的應(yīng)用，為節(jié)能減排和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

科學(xué)小實(shí)驗(yàn)——打不濕的“衣服”

實(shí)驗(yàn)材料：

鐵勺、蠟燭、火柴、玻璃碗、水。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

1.在勺子上滴幾滴水，輕輕晃動(dòng)，觀察水在勺子中的情況。

2.用火柴點(diǎn)燃蠟燭，手握住勺子柄靠后的部分，靠近火苗，使火焰漸漸熏黑鐵勺。注意：不要讓蠟燭熄滅，也不要燙到自己的手。

3.移動(dòng)勺子，讓勺子頭的內(nèi)部全部被熏黑。

4.在熏黑的勺子上滴幾滴水，輕輕晃動(dòng)，觀察此時(shí)的現(xiàn)象是否與之前相同。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

勺子沒(méi)有被熏黑之前，輕輕晃動(dòng)，水會(huì)附著在勺子上。勺子被熏黑后，輕輕晃動(dòng)，水不會(huì)附著在勺子上，勺子就像穿上了一層打不濕的“衣服”。

實(shí)驗(yàn)原理：

勺子打不濕的現(xiàn)象被稱為“荷葉效應(yīng)”。荷葉表面不會(huì)被雨水打濕，是因?yàn)楹扇~表面有一層茸毛和一些微小蠟質(zhì)顆粒。這些小顆粒都是納米級(jí)的，非常微小。荷葉的這種“納米技術(shù)”阻止了水滴向其他方向蔓延。當(dāng)蠟燭火焰接觸到勺子時(shí)，火焰的溫度降低，導(dǎo)致蠟沒(méi)有充分燃燒，會(huì)產(chǎn)生炭黑。炭黑附著在勺子上面，形成了一層疏水的納米材料，達(dá)到了和荷葉表面蠟質(zhì)顆粒一樣的效果。因此，將水滴在熏黑的勺子上，水滴會(huì)像珍珠一樣滾動(dòng)。