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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）

游目骋怀，仰观宇宙之大******

　　作者：徐珊珊

　　近期，在众多粉丝的翘首盼望中，《三体》动画、《阿凡达：水之道》（以下简称《阿凡达2》）等科幻片陆续上映，引发热议。

　　现实生活中，人类不断探索地球之外的太空奥秘；影视世界里，有关外星球、外星生物、外星景观的影视作品数不胜数，充满了人类对浩瀚宇宙和地外生物的瑰丽想象。

　　《阿凡达2》海报

　　动画版《三体》剧照

　　外星球：蕴藏无限可能

　　奇幻绚丽的水下景观，千姿百态的海洋生物，震撼人心的海底冒险……《阿凡达2》日前登陆影院，带领观众重返潘多拉星球，探索神秘未知的海底世界。

　　水之道，连接万物。蔚蓝蕴藏着无限可能，欢迎来到潘多拉星球的全新海域。这个神秘的外星球拥有奇特的地质构造，一座座云雾缭绕的山峰悬于空中。在奇幻风光中，众多奇特的地外生物陆续登场。凭借影片多年来在全球的热度和欢迎度，《阿凡达》里的潘多拉星球，成为光影世界中知名度极高的外星球。13年后，《阿凡达2》继续续写潘多拉星球的传奇，故事背景从热带雨林转向神秘的深海世界。影片精彩的视觉效果获得众多赞誉，有网友评论：“拍得好像去外星取过经。”

　　去年12月，动画版《三体》上线，该片改编自著名科幻作家刘慈欣同名长篇科幻小说，是三体宇宙这个国内顶级科幻IP的首部影视化作品。这部动画片上映后口碑两极分化，目前豆瓣评分仅为5.0。但是，可以肯定的是，该片又引发了新一轮“三体热”。

　　除了众所周知的潘多拉星球、三体星系外，还有许多外星球给观众留下深刻印象，包括《星际迷航2：暗黑无界》中的尼比鲁星、《沙丘》中的厄拉科斯星、《大黄蜂》中的赛博坦星、《星际特工：千星之城》中的千星之城阿尔法、《星际迷航3：超越星辰》中的约克城等。

　　《星球大战》中的科洛桑星球，是片中银河共和国与此后的银河帝国的首都，星球形象很符合许多人对未来世界充满科技感的幻想。在阳光照射下，科洛桑星球犹如一个能反射出奇特银色光芒的金属球体，“科洛桑”这个名字，即有“闪耀之城”之意。整个星球表面被城市景观及四通八达的交通网所覆盖，摩天大楼高耸入云，悬浮车交叉往来绵延不绝。

　　“厄拉科斯——沙丘——沙漠星球。”在《沙丘》中，人们眼中的外星球就是行星厄拉科斯的模样。这里是人们梦寐以求、竞相抢夺的“香料”的产地，人们常常用另一个名字呼唤这个干旱的星球——沙丘。家破人亡、颠沛流离的少年保罗在这个宇宙间最危险的星球与命运不断抗争。

　　科幻片中的外星世界，充满了人类对外星球的绚丽想象，也映射出人类对未来命运的探索和忧思。随着科幻片制作水平的不断提升，人们对外星球的想象越来越天马行空，必须借助CG技术（利用计算机技术进行视觉设计和生产）来合成。不过，从许多科幻片中总能看到一些地球上的风景。例如，《阿凡达2》中，高耸入云的潘多拉星球丛林世界在设计时就参考了我国桂林、张家界的地貌。

　　神奇生物在哪里？

　　“仰观宇宙之大，俯察品类之盛，所以游目骋怀，足以极视听之娱，信可乐也”，我国著名书法家王羲之在《兰亭集序》中描绘宇宙景观的古文，去年出现在意大利女航天员萨曼萨·克里斯托福雷蒂的社交媒体上，她在发布一组太空摄影作品时配发了上述文字。

　　从古至今，仰望星空时，人们常常会产生这样一些疑问：地球之外的宇宙世界是什么模样？地球之外的其他星球上，是否有外星人等外星生物存在？

　　关于外星人的描述，在中外科幻小说、影视作品中层出不穷。在众多影视作品中，哪个外星人给你留下了最深刻的印象？是《阿凡达》中的纳美人，还是《E.T.外星人》中意外走失的小外星人；是《星球大战》中的尤达大师，还是《变形金刚》中的擎天柱？

　　科幻片中的外星人一般分为以下几种类型：一是入侵地球的怪兽型，通常出现在外星人入侵地球、与人类大战的故事中；二是拯救地球型。在《地球停转之日》（1951）中，外星人来到地球警醒人类关心自己和地球的命运；三是不得不流落到地球的“外星难民”；四是与地球人类友好相处的外星人，小外星人E.T.就是其中的典型代表。

　　科幻片中，除了外星人外，外星球上还有许多奇特的外星生物。《阿凡达2》里，潘多拉星球上的发光生物令人印象深刻；纳美人乘着掠波翼龙、伊鲁，穿越风暴徜徉在海中；图鲲迁徙的场景配上气势磅礴的音乐，给观众带来震撼的视听感受。这种体型庞大的海洋生物上天入海，让人不由联想起庄子在《逍遥游》中所说的“鲲之大，不知其几千里也”。

　　科幻片的终极提问

　　人们常说的“硬科幻”和“软科幻”，主要根据科学技术在科幻片中的“硬核”程度来划分。其中，“硬科幻”指严格遵守数学、物理等科学定律的科幻故事，具有科学的合理性与严密的逻辑性；“软科幻”则不太强调科学的严谨性，有时甚至只是运用一些科技元素对影片故事进行“点缀”。

　　刘慈欣在科幻小说《三体》中，从恢弘的角度展现了地球文明以外的“三体文明”，并由此引出地球文明在宇宙中的兴衰史。由众多科幻片搭建的奇幻世界中，人们反复探讨人类和地球的命运和未来、外星人与地球人能否共处、地球文明和宇宙文明的相互关系等，同时也展现了剧中角色的复杂和多面，关于权术与背叛、恐惧与仇恨、贪婪和欲望、智慧和勇气、希望与梦想的一幕幕不断上演。在科幻片的外壳下，影片内核不断变化，衍生出众多科幻片亚类型，包括科幻+警匪、科幻+爱情、科幻+悬疑、科幻+喜剧、科幻+战争等。科幻片的形式和内容虽然不断变化，但是经常反复探讨的只有一个终极提问：假如科幻片中的灾难性危机变成现实，人类应该如何应对？

　　刘慈欣曾提出“大灾难中，拯救人类的唯一力量就是科学技术”等观点。《流浪地球》中，太阳系已经不适合人类生存。面对绝境，人类开启“流浪地球”计划，试图带着地球一起逃离太阳系寻找新家园。在动画版《三体》中，“三体人”的母星即将毁灭，殖民地球是这个遥远文明仅存的希望。为了应对危机，地球上的人类成立了最高指挥系统。该片一开篇就是令人震惊的“古筝行动”。人类在巴拿马运河两侧立起由纳米丝构成的切割网，将“审判日”号邮轮进行切割。

　　科幻片以人类的科学理论为基础，凸显出强烈的科学精神和忧患意识。科幻对科学的预见性和反思性，启迪人们探索更多星辰大海的奥秘，这道光将持续照亮人类的征途，宇宙探索永无止境……（徐珊珊）

　　原标题：《三体》动画、《阿凡达2》上映，引发人们对科幻片的热议——游目骋怀，仰观宇宙之大

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）