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)
2022,香江写下爱国爱港新篇章******
新华社香港12月25日电题:2022,香江写下爱国爱港新篇章
新华社记者黄茜恬
2022年,在庆祝香港回归祖国25周年的喜悦气氛中,香港社会积极弘扬以爱国爱港为核心、与“一国两制”方针呼应的主流价值观,爱国爱港力量持续发展壮大,香港同胞爱国意志日趋坚定。回顾这一年,“爱国者治港”原则成为愈加广泛的社会共识,为确保“一国两制”行稳致远筑牢根基。
“我们坚信,有伟大祖国的坚定支持,有‘一国两制’方针的坚实保障,在实现我国第二个百年奋斗目标的新征程上,香港一定能够创造更大辉煌,一定能够同祖国人民一道共享中华民族伟大复兴的荣光!”
在庆祝香港回归祖国25周年大会暨香港特别行政区第六届政府就职典礼上,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平发表重要讲话,着眼香港开创新局面、实现新飞跃提出4点希望,为香港攻坚克难、繁荣发展指明了方向。讲话充满为香港好、为香港同胞好的真情厚意,进一步激发香港同胞的爱国爱港情怀,努力拼搏创造更加美好的明天。
“爱国者治港”开新篇
2022年新年伊始,香港特区第七届立法会议员宣誓就职。在高悬的国徽之下,90名议员齐声高唱国歌。这是香港特区立法会议员首次在国徽下宣誓,也是在特区立法会议员宣誓仪式中首次引入奏唱国歌环节。
在“爱国者治港”原则下产生的新一届立法会,一改过去乱象丛生的局面,团结协作、求同存异、顾全大局成为主流。
“这一届立法会高效、‘贴地’的履职风格让我印象深刻。”香港市民陈振君说,以6月9日三读通过的《2022年雇佣及退休计划法例(抵销安排)(修订)条例草案》为例,新一届立法会仅用8至9个小时就完成审议,解决了困扰特区政府多年的“老大难”问题,“这在完善选举制度前是不可想象的。”
7月1日,第六届香港特区政府宣誓就职。为进一步增强特区政府公务员的国家认同感和施政能力,特区政府要求所有新入职公务员,须在3年的试用期内完成更全面的基础培训,内容包括认识“一国两制”、宪法、香港基本法、香港国安法、国家体制及重要政策。
“广义地说,‘爱国者治港’最庞大的队伍是香港特区政府公务员队伍。公务员队伍从上到下都有国家意识、爱国思想、对国效忠,能进一步巩固‘爱国者治港’风清气正的局面,更有效地服务香港贡献国家,让香港更好融入国家发展大局。”香港岛妇女联会主席金铃说。
新班子、新风貌、新气象,香港正处在从由乱到治走向由治及兴的新阶段,奋进正当其时。特区行政长官李家超在其任内首份施政报告中指出,香港发展不能耽搁,前提是要稳定,排除干扰。要弘扬以爱国爱港为核心、与“一国两制”方针呼应的主流价值观,凝聚社会力量,共同创造更美好的生活。
爱国爱港成为最强音
2022年,适逢香港回归祖国25周年,特区政府携手各界推出一系列庆祝活动。在喜庆的气氛中,爱国爱港力量空前团结,为落实“爱国者治港”原则厚植社会基础。
“七一”前后,香港大街小巷处处是耀眼的“中国红”。在九龙观塘的坪石邨,20多层高的公屋大厦天井,每一层的三面走廊都挂满五星红旗与紫荆花区旗;在香港岛,许多大楼外墙张挂着巨幅宣传画或庆祝海报,户外大屏幕滚动播放庆祝短片,巴士车身绘制着庆祝标语;新界乡民则在街头竖起各式各样的庆祝花牌,数量远超往年。
在香港少年警讯举办的《这里是中国》读书分享交流会上,香港青少年以琅琅书声涵养家国情怀;在“诗词歌赋颂中华湾区丽影耀香江”活动上,香港市民沉浸式体验中华优秀传统文化……
“现在,香港小朋友都主动跟着我们唱《歌唱祖国》。”香港市民秦凌说,他今年感受最深的是市民不断增强的爱国情怀,“我们在公园举办庆祝活动时,义工齐唱《歌唱祖国》,很多年轻的香港本地家长会带着小朋友自发参与进来,小朋友还会自己跑过来向我们要国旗,跟着一起唱歌。”
爱国爱港,正在成为香港社会最强音。
培育爱国爱港新一代
2022年第一天,正在“太空出差”的神舟十三号乘组与来自北京、香港和澳门的超过500名青年学生,进行了一场别开生面的“元旦京港澳天宫对话”活动。
“有国才有家,无论我们飞多高、飞多远,强大的祖国永远是我们最坚强的后盾,爱国主义将永远是激励我们飞天的动力源泉。”航天员的分享深深打动香港年轻一代,点燃他们的爱国情、报国志。
“国家的航天事业步步向前,如今已经发展到世界前沿水准,我感到欣慰又备受鼓舞。”香港大学计算机系学生鄢同学说,“期盼有一天我的科研成果也能成为祖国的骄傲。”
这一年,香港年轻一代的爱国教育如火如荼,宪法、基本法、香港国安法的学习和推广得到进一步加强,国情教育、国史教育不断深入:香港爱国教育支援中心揭幕;“国民教育——活动规划年历”推出,内含国庆节、国家宪法日等18个重要日子,每个日子都列出了详细的国民教育活动建议;2022/2023学年起,公立学校新聘教师均须通过香港基本法测试……
2022年元旦起,全港中小学每个上课日升挂国旗,每周举行一次升国旗仪式,同时奏唱国歌。香港科技大学、香港理工大学等高校也每天升挂国旗,每周举行升国旗仪式。
“我喜欢参加升旗仪式,当国旗升到顶点那一刻,总会有一股与祖国紧紧相连的暖流涌上我的心头。”香港教育工作者联会黄楚标中学学生念其泽说。
7月,备受期待的香港故宫文化博物馆正式向公众开放,成为香港市民尤其是青少年认识祖国历史文化的重要渠道。在馆方举办的“青年穿越故宫之旅”“香港故宫学生文化大使”等一系列教育活动中,越来越多香港青少年透过一件件故宫珍宝背后的动人故事,领略中华文化的博大精深。
随着《细说文物——中国历史教学资源册》、“我们的故宫”系列教材等相继走进香港校园,故宫文化在学校中得以进一步推广,帮助学生从认识、理解到欣赏、热爱,更加坚定了香港年轻一代的文化自信。
在2022年香港书展上,不少图书出版商推出许多关于家国题材的新书,并摆放在显眼位置重点推介,吸引往来读者驻足翻阅选购。在儿童读物展区,讲述祖国地理历史、文化艺术的书籍也比往年更受家长和孩子的欢迎。
“从今年的香港书展可见一斑,如今的香港社会,处处充满正能量。香港市民特别是年轻一代,对国家的认同感与日俱增。”香港各界文化促进会执行主席马浩文说,爱国爱港已成为这座城市的主流价值观,守护着这片港湾走向由治及兴的新阶段,700多万港人也将携手书写“一国两制”更精彩的篇章。
(文图:赵筱尘 巫邓炎)