氣凝膠: 想殖民火星？ 氣凝膠可以幫助我們“有生之年”在火星上耕種和生存

By Fouad Sabry

什麼是氣凝膠

氣凝膠是一種源自凝膠的合成多孔超輕材料，其中凝膠的液體成分已被氣體取代，凝膠結構沒有明顯塌陷。結果是具有極低密度和極低熱導率的固體。暱稱包括冷凍煙霧、固體煙霧、固體空氣、固體雲和藍色煙霧，這是由於其半透明性質和光在材料中的散射方式。二氧化矽氣凝膠摸起來像易碎的膨脹聚苯乙烯，而一些基於聚合物的氣凝膠摸起來像硬質泡沫。氣凝膠可以由多種化合物製成。

您將如何受益

(I) 關於以下主題的見解和驗證：

第 1 章：氣凝膠

第 2 章：納米凝膠

第 3 章：碳納米泡沫

第 4 章：霧庫

第 5 章：矽膠

第 6 章：材料科學

第 7 章：科幻小說中的材料科學

（二）回答公眾關於氣凝膠的熱門問題。

（三）氣凝膠在多個領域的應用實例。

(IV) 17 個附錄，簡要說明每個行業的 266 項新興技術，以 360 度全方位了解氣凝膠技術。

本書的讀者對象

專業人士、本科生和研究生、愛好者、業餘愛好者以及想要超越任何類型氣凝膠的基本知識或信息的人。

• Language: 中文
• Publisher: 十億個知識淵博 [Chinese (Traditional)]
• Release date: Jan 24, 2022

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神經科學中的新興技術

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機器人技術的新興技術

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10億知識淵博

氣 凝 膠

想殖民火星嗎？氣凝膠可以幫助我們在「有生之年」在火星上耕種和生存

福阿德·薩布里

版權

氣凝膠版權所有 © 2021 由 Fouad Sabry 提供。保留所有權利。

保留所有權利。未經作者書面許可，不得以任何形式或任何電子或機械手段（包括資訊存儲和檢索系統）複製本書的任何部分。唯一的例外是審稿人，他們可能會在評論中引用簡短的摘錄。

封面由Fouad Sabry設計。

這本書是一部虛構的作品。名稱、人物、地點和事件要麼是作者想像的產物，要麼是虛構使用的。任何與真實人物的相似之處，無論是活著的還是死去的，事件或地點都是完全巧合。

獎金

您可以向 [e-mail] 發送電子郵件，主題為「氣凝膠：想要殖民火星嗎？氣凝膠可以幫助我們在火星上耕種和生存在我們的有生之年，您將收到一封電子郵件，其中包含本書的前幾章。

福阿德·薩布里

訪問1BK網站

www.1BKOfficial.org

前言

我為什麼要寫這本書？

寫這本書的故事始於1989年，當時我是高級中學的學生。

它非常類似於STEM（科學，技術，工程和數學）學校，現在在許多發達國家都可以使用。

STEM是一門課程，其基礎是以跨學科和應用的方法教育四個特定學科（科學，技術，工程和數學）的學生。該術語通常用於解決學校的教育政策或課程選擇。它對勞動力發展、國家安全關切和移民政策都有影響。

圖書館每周都有一堂課，每個學生都可以自由選擇任何書籍並閱讀1小時。該課程的目的是鼓勵學生閱讀教育課程以外的科目。

在圖書館里，當我看著書架上的書時，我注意到了巨大的書，總共5000頁，分為5個部分。書名是《技術百科全書》，它描述了我們周圍的一切，從絕對零到半導體，幾乎每一種技術，在那個時候，都是用彩色插圖和簡單的文字來解釋的。我開始閱讀百科全書，當然，我無法在每周1小時的課程中完成它。

所以，我說服父親買了這本百科全書。我父親在我生命之初為我購買了所有的技術工具，第一台計算機和第一本技術百科全書，兩者都對我自己和我的事業產生了很大的影響。

我在今年的同一個暑假里完成了整本百科全書，然後我開始看到宇宙是如何運作的，以及如何將這些知識應用於日常問題。

我對這項技術的熱情始於30年前，現在的旅程仍在繼續。

這本書是新興技術百科全書的一部分，我試圖給讀者帶來我在高中時的驚人體驗，但我對21世紀的新興技術，應用和行業解決方案更感興趣，而不是 20世紀的技術。

《新興技術百科全書》將由365本書組成，每本書將專注於一項新興技術。您可以在本書末尾的即將推出部分閱讀新興技術及其按行業分類的清單。

365本書，讓讀者有機會在一年內每天增加對一項新興技術的知識。

介紹

我是怎麼寫這本書的？

在每本《新興技術百科全書》中，我都試圖直接從人們的腦海中獲得即時的原始搜索見解，試圖回答他們關於新興技術的問題。

每天有30億次谷歌搜索，其中20%以前從未見過。它們就像是人們思想的直接線。

有時是「如何清除卡紙」。其他時候，這是他們唯一敢與谷歌分享的痛苦恐懼和秘密渴望。

在我追求發現關於「氣凝膠」的內容創意的未開發金礦的過程中，我使用許多工具來收聽來自Google等搜尋引擎的自動完成數據，然後快速製作出每個有用的短語和問題，人們正在詢問關鍵字「氣凝膠」。。

它是人們洞察的金礦，我可以用它來創造新鮮、超有用的內容、產品和服務。善良的人，像你一樣，真的想要。

人搜索是有史以來收集到的關於人類心理的最重要的數據集。因此，這本書是一個活生生的產品，並且不斷更新越來越多的關於氣凝膠的新問題的答案，人們問，就像你我一樣，想知道這個新興技術，並希望瞭解更多有關它的資訊。

寫這本書的方法是更深入地了解人們如何圍繞「氣凝膠」進行搜索，揭示我不一定會想到的問題和疑問，並用超級簡單易懂的單詞回答這些問題，並以直接的方式瀏覽這本書。

因此，在寫這本書時，我確保它盡可能地優化和有針對性。本書的目的是幫助人們進一步瞭解和增長他們對「氣凝膠」的瞭解。我試圖盡可能密切地回答人們的問題，並展示更多。

這是一種奇妙的，美麗的方式，可以探索人們提出的問題和問題並直接回答它們，併為本書的內容添加洞察力，驗證和創造力 - 甚至是推銷和建議。這本書揭示了豐富的，不那麼擁擠的，有時令人驚訝的研究需求領域，否則我將無法觸及。毫無疑問，在使用這種方法閱讀本書后，有望增加潛在讀者的思想知識。

我採用了一種獨特的方法，使本書的內容始終保持新鮮。這種方法取決於通過使用搜索傾聽工具來傾聽人們的思想。這種方法説明我：

準確地與讀者見面，這樣我就可以創建相關的內容，引起共鳴，並推動對主題的更多理解。

保持我的手指緊緊抓住脈搏，這樣當人們以新的方式談論這項新興技術時，我就可以獲得更新，並監控隨時間的變化趨勢。

發現隱藏的問題寶藏需要有關新興技術的答案，以發現意想不到的見解和隱藏的利基，從而提高內容的相關性並賦予其勝利優勢。

不要再把時間浪費在直覺上，不要猜測讀者想要的內容，用人們需要的東西填滿書的內容，告別基於猜測的無窮無盡的內容創意。

做出可靠的決策，減少風險，讓前排座位即時瞭解人們想要閱讀和想知道的內容，並使用搜索數據做出大膽的決定，包括哪些主題和要排除哪些主題。

簡化我的內容製作以識別內容創意，而無需手動篩選個人意見，從而節省數天甚至數周的時間。

通過回答他們的問題，幫助人們以直接的方式增加他們的知識，這真是太好了。

我認為這本書的寫作方法是獨一無二的，因為它整理並跟蹤讀者在搜尋引擎上提出的重要問題。

確認

寫一本書比我想像的更難，比我想像的更有收穫。如果沒有著名研究人員完成的工作，這一切都是不可能的，我要感謝他們為增加公眾對這項新興技術的瞭解所做的努力。

奉獻

對於開悟者，那些看待事物不同，並希望世界變得更好的人 - 他們不喜歡現狀或現有狀態。你可以過多地不同意他們，你可以與他們爭論得更多，但你不能忽視他們，你不能低估他們，因為他們總是會改變事情......他們推動人類前進，雖然有些人可能認為他們是瘋狂的人或業餘愛好者，但其他人認為天才和創新者，因為那些足夠開明的人認為他們可以改變世界，是那些這樣做的人，並帶領人們走向啟蒙。

碑文

氣凝膠是一個廣義的術語，用於談論自20世紀60年代以來一直用於太空旅行的一組非凡材料，但現在正在整個行業中找到用途。氣凝膠不是具有固定化學式的特定礦物或材料 - 相反，該術語用於涵蓋具有特定幾何結構的所有材料。這種結構是一種極其多孔的固體泡沫，在幾納米寬的分支結構之間具有很高的連通性。雖然氣凝膠在技術上是一種泡沫，但它可以採取許多不同的形狀和形式。氣凝膠大部分由二氧化矽組成，但碳，氧化鐵，有機聚合物，半導體納米結構，金和銅也可以形成氣凝膠。然而，在氣凝膠結構中，很少有固體材料，高達99.8%的結構僅由空氣組成。這種獨特的成分使氣凝膠具有幾乎幽靈般的外觀;因此，它通常被稱為「冷凍煙霧」。

目錄

氣 凝 膠

作者的其他書籍

作者系列

氣 凝 膠

版權

獎金

前言

介紹

確認

奉獻

碑文

目錄

第1章 氣凝膠

第2章 納米凝膠

第3章 碳納米泡沫

第4章 霧岸

第5章 矽膠

第6章 材料科學

第7章 科幻小說中的材料科學

結語

關於作者

即將推出

附錄：各行業的新興技術

第1章 氣凝膠

手中的氣凝膠塊

IUPAC定義

氣凝膠：凝膠包含微孔固體，其中分散的相是氣體。

注1：氣凝膠包括微孔二氧化矽、微孔玻璃和沸石。注2：從參考文獻中更正，其中定義是重複凝膠的錯誤定義，然後是對結構孔隙度的傾斜引用。

氣凝膠是由凝膠形成的合成多孔輕質材料，其中凝膠的液體成分已被氣體取代，而不會導致凝膠結構顯著塌陷。因此，固體具有極低的密度和導熱性。由於其半透明的性質和光線散射的方式，它贏得了冷凍煙霧，固體煙霧，固體空氣，固體雲和藍色煙霧的綽號。二氧化矽氣凝膠具有易碎發泡聚苯乙烯的感覺，而其他聚合物基氣凝膠則具有硬質泡沫的感覺。氣凝膠可以由多種化學物質製成。

撒母耳·斯蒂芬斯·奇石樂（Samuel Stephens Kistler）於1931年發明瞭氣凝膠， 這是 由於與Charles Learned就誰可以用氣體代替果凍中的液體而不造成收縮而打賭的結果。

氣凝膠是通過超臨界乾燥或冷凍乾燥凝膠的液體組分產生的。這允許液體輕輕蒸發，而不會像傳統蒸發那樣導致凝膠中的固體基質因毛細管作用而塌陷。矽膠被用來製造第一個氣凝膠。奇石樂的後續研究重點是氧化鋁、鉻和二氧化錫氣凝膠。碳氣凝膠是在20世紀80年代後期首次製造的。

性能

一朵花懸掛在本生燃燒器火焰上的一塊氣凝膠上。花 通過使用 氣凝膠與火焰絕緣，具有很強的絕緣特性。

儘管它們的名字，氣凝膠是固體，剛性和乾燥的材料，具有與凝膠不同的物理特徵：名稱來自它們由凝膠產生的事實。輕輕按壓氣凝膠通常不會留下任何痕跡;用力按壓會留下持久的凹痕。極其有力的壓制將導致稀疏結構的災難性坍塌，導致它像玻璃一樣破碎（這種特徵稱為易碎性），而最近的變體不會受到這種影響。儘管它容易破碎，但它在結構上非常堅固。樹突狀微觀結構，其中平均尺寸為2-5nm的球形顆粒結合在一起形成簇，是其特殊承載品質的原因。這些簇結合在一起形成三維高孔結構，具有近似分形鏈，孔隙小於100nm。在生產過程中，可以調整孔隙的平均大小和密度。

氣凝膠是一種99.8%的空氣基物質。氣凝膠具有包含氣穴的多孔固體網路，氣穴佔據了材料的大部分區域。由於缺乏固體物質，氣凝膠幾乎失重。

氣凝膠是良好的熱絕緣體，因為它們幾乎完全排除了三種傳熱方法中的兩種：傳導（它們主要由絕緣氣體制成）和對流（微觀結構阻止凈氣體移動）。因為它們幾乎完全由氣體組成，氣體是較差的熱導體，所以它們是良好的導電絕緣體。（二氧化矽氣凝膠作為絕緣體特別有效，因為二氧化矽也是一種不良的熱導體;另一方面，金屬或碳氣凝膠效果較差。由於空氣不能通過晶格迴圈，因此它們是有效的對流抑製劑。由於紅外輻射（傳輸熱量）流經氣凝膠，因此它們是較差的輻射絕緣體。

氣凝膠感覺乾燥，由於其吸濕性，可用作強乾燥劑。長時間使用氣凝膠的人應戴上手套，以避免皮膚上出現乾燥的脆弱區域。

納米級樹突狀結構對較短波長的可見光的瑞利散射解釋了適度的色調。這使它在深色背景上呈現煙藍色外觀，在明亮的背景上呈現淡黃色外觀。

氣凝膠本質上是親水的，當它們吸收水分時，它們通常會經歷結構變化，例如收縮和變質;然而， 通過化學處理使它們疏水性可以避免降解。具有疏水性內部的氣凝膠比僅具有外部疏水層的氣凝膠降解得更慢，特別是如果斷裂穿透表面。

克努森效應

氣凝膠的導熱係數可能小於它們所含氣體的導熱性。這是由Knudsen效應引起的，當包含氣體的空腔的大小與平均自由程相當時，氣體中的熱導率降低。實際上，空腔限制了氣體顆粒的運動，除了消除對流外，還降低了導熱性。例如，空氣的導熱係數約為25 mW·m−1·在STP和大型容器中K −1，但降低到約5 mW·m−1 ·K−1，孔徑30奈米。

結構

氣凝膠結構是溶膠 - 凝膠聚合的結果，當單體（簡單分子）與其他單體混合以產生溶膠或由鍵合，交聯的大分子與液體溶液沉積物組成的物質時，就會發生這種情況。當材料被加熱到一定溫度時，液體蒸發，留下粘結的交聯大分子框架。由於聚合和臨界加熱，產生了一種具有多孔強結構的材料，稱為氣凝膠。合成變化會影響氣凝膠的表面積和孔徑。孔徑越小，氣凝膠破裂的可能性就越大。

防水

氣凝膠顆粒的大小範圍從2到5nm。氣凝膠的表面在製造過程後將具有高濃度的羥基。當氣凝膠被放置在水中時，羥基可能會引發強大的反應，導致其災難性地溶解。對親水性氣凝膠進行防水的一種方法是將其浸泡在化學鹼中，用非極性基團（–OR）代替表面羥基（–OH），當R是脂肪族基團時，該過程效果最佳。

氣凝膠的孔隙率

確定氣凝膠孔隙度的三種主要方法是氣體吸附法、汞孔隙法和散射法。在氣體吸收過程中，沸點處的氮氣被吸附到氣凝膠樣品中。吸附的氣體量由樣品中孔隙的大小以及氣體相對於其飽和壓力的分壓決定。使用布魯瑙爾、埃米特和泰勒公式（BET）計算吸附氣體的體積，該公式產生樣品的比表面積。樣品的孔徑分佈由開爾文方程在吸附/解吸過程中的高分壓下給出。汞被強制進入氣凝膠多孔系統以確定汞孔隙測量中孔的大小，但這種方法效率低下，因為氣凝膠的固體框架會由於高壓縮力而坍塌。氣凝膠樣品中光子的角度相關偏轉用於散射方法。固體顆粒或孔隙可用作樣品。輻射穿透材料，決定了氣凝膠孔隙網路的分形結構。X射線和中子是最好的輻射波長。氣凝膠也是一個開放的多孔網路：開放多孔網路和封閉多孔網路之間的區別在於，在開放的多孔網路中，氣體可以自由地進入和離開物質，而封閉的多孔網路將氣體捕獲在材料內，迫使它們留在孔隙中。由於其高孔隙率和表面積，二氧化矽氣凝膠可用於廣泛的環境過濾應用。

材料