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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）
2023春运专报：西北地区有沙尘 冷空气影响东北地区华北等地******
中国天气网讯 昨日(1月17日)，内蒙古西部、甘肃西部、宁夏北部、新疆南部等地部分地区出现扬沙或浮尘；西藏东部、青海东南部、川西高原北部、贵州北部及内蒙古东北部等地部分地区出现小雪或雨夹雪。
全国天气预报
内蒙古甘肃宁夏陕西等地有沙尘天气。18日白天到夜间，新疆南部、内蒙古中西部、甘肃中西部、青海北部、宁夏、陕西北部等地的部分地区有扬沙或浮尘，局地有沙尘暴；19日，上述地区沙尘天气减弱，但受传输影响，北京、河北、山西等地白天时段PM10有短时升高。
冷空气将影响东北地区华北等地。19日至20日，受冷空气影响，华北、东北地区、黄淮北部及内蒙古中东部等地气温将下降4～8℃，部分地区降幅10～12℃，局地14℃以上；上述地区并伴有4～6级风，阵风7～8级，我国大部海域将有7～8级风。21日清晨，黑龙江等局地日最低气温将接近或突破历史同期极值。
另外，18日至20日，青藏高原东部和西南部、贵州中北部、内蒙古东北部、东北地区东部和北部等地有弱雨雪天气，西藏东南部和西南部局地有大到暴雪；全国其他大部地区降水稀少，天气以晴到多云为主。
未来两天具体降水预报如下：
18日中午至夜间，内蒙古中东部、黑龙江、吉林中部、西藏西部和东部、青海南部、川西高原北部、贵州西部、云南东北部和西北部等地部分地区有小到中雪或雨夹雪，西藏东南部等地部分地区有大到暴雪；西藏东南部、四川盆地东部、重庆西南部、云南中东部等地部分地区有小雨(见图1)。
19日，内蒙古东部、黑龙江、吉林东部、辽宁北部、西藏西部和东南部、青海南部、贵州西部等地部分地区有小到中雪或雨夹雪，西藏西南部等地部分地区有大到暴雪(10～15毫米)；重庆南部、贵州北部、云南中东部、海南岛等地部分地区有小雨(见图2)。
图1 全国降水量预报图(1月18日14时-19日08时)
图2 全国降水量预报图(1月19日08时-20日08时)北京地区天气预报
预计18日至19日，北京地区天气以晴为主；受冷空气影响，19日有4级左右偏北风，阵风可达7、8级。该期间白天最高气温4℃左右，夜间最低气温-10～-6℃。
海上天气预报
预计18日中午至19日夜间，东海南部海域、台湾海峡、台湾以东洋面、巴士海峡、南海大部海域、北部湾将有6～8级、阵风9～10级的偏北或东北风；渤海、渤海海峡、黄海大部海域将有6～7级、阵风8级的偏北风。
全国道路交通影响预报
预计18日中午至19日中午，内蒙古中东部、黑龙江大部、吉林东部、西藏西部和东部、青海南部、川西高原北部、贵州西部、云南东北部等地部分道路受小到中雪或雨夹雪影响，其中，西藏东南部部分道路受大到暴雪影响；四川东部和南部、重庆、贵州中北部、云南中东部、海南岛南部等地部分道路受小雨影响；内蒙古西部、陕西北部、宁夏北部、新疆南部部分道路受沙尘影响能见度低；江苏东南部、安徽西南部、江西西北部、福建东南部、四川东部、重庆西南部、云南东部部分道路受雾影响能见度低(见图3、附件1)。
图3 全国公路气象预报图(1月18日14时-19日14时)全国铁路交通气象影响预报
预计18日中午至19日中午，受降雪天气影响，滨洲线扎兰屯-海拉尔、滨绥线哈尔滨-牡丹江、集通线三营图-牙拉盖图、青藏线塘岗-托居、沪昆线六枝-凤凰山、沪昆高速铁路关岭-普安县、宁蓉线恩施-沙子、宝成线双河口-新都、成昆线共和-甘洛等铁路线路注意防范低温冰冻对铁路运行带来的不利影响。包兰线乌海-包头、集通线集宁-化德、京包线包头东-集宁南等铁路线路注意防范冷空气大风对铁路运行带来的不利影响。兰新线昌吉-玛纳斯有重度霾，注意防范低能见度对铁路运行带来的不利影响。
全国机场气象影响预报
预计18日中午至19日中午，全国大部机场适航。内蒙古、宁夏北部、陕西北部、山西、河北、北京、天津、黑龙江、吉林、辽宁、山东、云南、贵州、台湾西部等地的中低空空域有轻到中度颠簸；内蒙古中北部、黑龙江、吉林、辽宁北部、重庆、贵州、湖南北部、湖北南部等地的低空空域有积冰条件。
18日夜间，哈尔滨机场有小雪天气；19日早间，哈尔滨、长春、沈阳机场有霜；19日中午，银川机场有扬沙天气。
长江干线航道气象影响预报
18日白天，长江干线大部航段适宜通航；重庆部分航段有轻雾；湖北部分航段有6级左右阵风。低能见度影响航段：泸州-重庆；大风影响航段：三峡-宜昌。
18日夜间，长江干线大部航段适宜通航；四川部分航段有轻雾。低能见度影响航段：泸州-重庆。
关注与建议
未来三天青藏高原、西南地区、东北地区有雨雪，北方地区有冷空气活动，需防范道路积雪、结冰和大风降温天气等对春运交通、城市运行等的不利影响；内蒙古、甘肃、青海、宁夏、陕西及新疆等地需防范沙尘天气对交通出行、人体健康的不利影响。
附件1
主要公路路段气象影响预报
(1月18日中午-19日中午)
受大到暴雪影响的主要路段有：
318国道西藏波密境内路段
受小到中雪或雨夹雪影响的主要路段有：
京昆高速(G5)四川德阳—成都段、四川雅安境内路段
绥满高速(G10)黑龙江牡丹江—尚志—哈尔滨段
哈同高速(G1011)哈尔滨—黑龙江宾县—方正—依兰—佳木斯段
鹤大高速(G11)黑龙江鹤岗—佳木斯段
鹤哈高速(G1111)黑龙江绥化境内路段
二广高速(G55)内蒙古白音查干境内路段
杭瑞高速(G56)云南曲靖—马龙段
沪昆高速(G60)贵州清镇—平坝—安顺—镇宁—晴隆—普安—盘县—云南富源—曲靖—马龙段
厦蓉高速(G76)成都境内路段
渝昆高速(G85)云南大关境内路段、云南会泽境内路段
成渝环线(G93)成都—四川德阳—绵阳段、四川雅安—名山段、成都境内路段
成灌高速成都—四川都江堰段
成温邛高速成都境内路段
曲陆高速云南曲靖—陆良—召夸段
108国道四川绵阳—德阳—成都段、四川雅安—荥经—汉源段
109国道青海雁石坪—唐古拉山口段
111国道黑龙江富裕—讷河—嫩江—内蒙古大杨树—加格达齐段
201国道黑龙江鹤岗—佳木斯—桦南—七台河段、黑龙江柳树—牡丹江—宁安—黑吉省界—吉林敦化—抚松—江源—白山—通化—辽宁桓仁—宽甸段
202国道黑龙江黑河—孙吴—北安—克东—拜泉段
207国道内蒙古锡林浩特—太仆寺旗—蒙冀省界段
208国道内蒙古察哈尔右翼后旗境内路段
209国道湖北建始境内路段
213国道甘川省界—四川若尔盖—潘松—茂县—汶川—都江堰—成都段、云南大关—昭通段、云南待补境内路段
214国道青海巴颜喀拉山口—玉树—囊谦—青藏省界—西藏类乌齐—昌都—左贡段、藏滇省界—云南德钦段
216国道新疆切尔克齐—富蕴—阿热勒托别克段
217国道新疆阿拉哈克—布尔津段
219国道西藏那木如—门土段
221国道哈尔滨—黑龙江宾县—方正—依兰—佳木斯—桦川—集贤—富锦—同江段
222国道黑龙江绥化—庆安—铁力—伊春段
301国道黑龙江牡丹江—海林—尚志—阿城—哈尔滨段、黑龙江甘南—内蒙古阿荣旗—牙克石—呼伦贝尔—陈巴尔虎旗段
302国道吉林敦化—蛟河—庆岭段
303国道吉林集安—通化段、内蒙古巴林右旗—林西—克什克腾旗—锡林浩特段
304国道内蒙古霍林郭勒境内路段
305国道内蒙古巴林右旗—林西段
306国道内蒙古克什克腾旗境内路段
317国道成都—四川都江堰—汶川—理县—马尔康—炉霍—甘孜—德格—西藏江达—昌都—类乌齐—丁青—巴青段
318国道湖北利川境内路段、成都境内路段、四川雅安—天全段、四川理塘—德达段、西藏左贡—八宿—玉普段、西藏排龙—林芝—工布江达段
320国道贵州清镇—平坝—安顺—镇宁—关岭—晴隆—普安—盘县段、云南曲靖—马龙段
321国道贵州修文—黔西—大方—黔川交界段
324国道云南罗平—师宗—陆良段
326国道贵州金沙—大方—毕节—赫章—威宁—黔滇省界—云南宣威—曲靖—陆良段
受雾影响的主要路段有：
沈海高速(G15)福建厦门境内路段
济广高速(G35)江西鹰潭境内路段
沪陕高速(G40)江苏启东境内路段
沪渝高速(G50)重庆境内路段
沪昆高速(G60)江西弋阳—鹰潭段
包茂高速(G65)重庆—重庆界石段
兰海高速(G75)重庆境内路段
成渝环线(G93)重庆境内路段
206国道江西鹰潭境内路段
210国道重庆境内路段
319国道重庆境内路段
320国道江西贵溪—鹰潭段、云南富源境内路段
受沙尘影响的主要路段有：
京藏高速(G6)内蒙古临河—磴口—乌海—宁夏惠农段
京新高速(G7)内蒙古临河境内路段
青银高速(G20)陕西郝滩—定边—陕宁省界—宁夏高沙窝段
定武高速(G2012)陕西定边—宁夏盐中段
包茂高速(G65)内蒙古鄂尔多斯境内路段
109国道内蒙古鄂尔多斯—杭锦旗—蒙宁省界段
110国道内蒙古五原—巴彦淖尔—磴口—乌海段
210国道内蒙古鄂尔多斯—蒙陕省界段
219国道新疆叶城—赛图拉段
307国道陕西郝滩—定边—陕宁省界—宁夏盐池段
315国道新疆且末—民丰—于田—策勒—洛浦—和田—墨玉—叶城—泽普—莎车—英吉沙—疏勒段
附件2
(中国天气网)
（文图：赵筱尘 巫邓炎） [责编：天天中] 阅读剩余全文（）  视觉焦点
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