最輕的固體–氣凝膠
95/06/09
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魏得育｜
清華大學化學工程學系
呂世源｜
清華大學化學工程學系
簡介與歷史
氣凝膠誕生於西元1931年，由加拿大太平洋大學學者契史特勒（Samuel Kistler）製作出第一塊。他使用奈米材料製程中常用的「溶膠－凝膠法」，在催化劑的催化下，使矽酸鹽類經過水解縮合後形成膠狀物。在不破壞結構的情況下，利用溶劑在超臨界狀態下無明顯表面張力的特性，把膠狀物內所含的溶劑移除並乾燥，得到了第一塊氣凝膠。
契史特勒的超臨界乾燥方式是利用溶劑的超臨界狀態來進行的，也就是把膠狀物放在溫度與壓力都超過溶劑臨界點的裝置內，把溶劑趕出膠狀物孔洞，以達到不破壞結構的目的。一般溶劑的臨界點都在高溫高壓的狀態，因此操作成本和危險性較高。
西元1986年，特瓦利（Tewari）與韓特（Hunt）提出新的超臨界乾燥方式，取代過去的溶劑超臨界移除技術，改用臨界壓力（72.8大氣壓）與溫度（攝氏31度）都較低的二氧化碳進行萃取乾燥。相關技術持續地發展，各國的研究團隊也針對這種特殊材料進行更多樣化的開發與應用，直到今天還沒有停止。
氣凝膠是一種具有奈米級孔洞及立體網狀結構的多孔性材料。它的孔洞大小可以從幾奈米到幾百奈米，奈米級的多孔性使得氣凝膠具有極大的比表面積，一般可以達到每公克1,000平方公尺以上，也就是說1公克氣凝膠的孔洞表面積相當於一座足球場的面積。
以整個材料來說，空間的大部分被空氣所占據，使得它的密度非常低，因此被稱為氣凝膠，可說是目前最輕的固體，有「被凍結了的煙」的美名。因為這個特性，使得它具有很多獨特的優點，例如低熱傳導係數、低折射率等。這些優點被現今的科學家應用，使得氣凝膠慢慢地成為一個多功能的材料。不過也因為它結構裡固態材料所占的體積比率太小，骨架極為纖細，使得它易脆，在應用上仍然是一個必須克服的問題。
如何做出氣凝膠
氣凝膠是利用奈米材料製作技術裡經常使用的溶膠－凝膠法製成的。何謂溶膠－凝膠法？把金屬鹽類均勻混合在溶劑中，在觸媒的催化下，經過一段時間的水解和縮合，會逐漸形成溶膠，溶膠內的膠體粒子均勻分散在系統中。膠體粒子再經過一段時間的縮合和熟化後，會形成外觀類似果凍般膠狀的半固態高分子物質，我們稱這膠狀物質為溼凝膠。
當膠體內的結構逐漸穩定，並且形成堅固的網狀結構後，再清洗溼凝膠以去除溶劑與膠體內未反應的反應物與催化劑。最後使用超臨界乾燥技術移除膠狀物中的殘留溶劑，乾燥後的膠體就是氣凝膠。
為何使用超臨界乾燥
在乾燥膠體的過程中，當溶劑揮發離開材料孔洞時，會因為巨大的表面張力作用，而造成體積的收縮與材料的破裂，所形成的網狀結構會因此而坍塌，使材料失去它低密度、高比表面積的特性。以這種方式製作成的材料，一般稱為乾凝膠，相較於氣凝膠而言，乾凝膠中空氣所占的體積比率較小，孔隙率較低，因此熱隔絕能力較差。
為了克服這個困難，可使用超臨界乾燥。當溶劑在超臨界狀態下進行萃取時，利用孔洞與超臨界流體間無明顯表面張力的特性，使得凝膠在萃取乾燥時，不會由於表面張力的作用而收縮與破裂，因而保有氣凝膠的立體網狀結構。
一般物質有固、液、氣三相，當溶劑（例如：二氧化碳）的溫度和壓力超過其臨界點時，就達到超臨界狀態。超臨界狀態是一介於液、氣間的相態，具有類似氣體的特性。
一般使用二氧化碳為超臨界流體進行乾燥時，它較容易滲透至多孔結構中，置換出膠體內原來的溶劑。二氧化碳在氣態下沒有萃取的能力，但當它在超臨界狀態時，具有親油性，有溶解有機溶劑的能力。當萃取結束後，把溫度和壓力降低至臨界點以下，二氧化碳會轉變回氣態，直接離開膠體，這時膠體仍保留原有的立體網狀結構，而能達到無破壞乾燥的目的。
氣凝膠的顏色
當粒子小於光波長時，會有瑞利散射（Raleigh scattering）的現象產生。若粒子的大小介於5～200奈米之間，其散射短波長光的能力較散射長波長光的能力強，因而造成被散射出去的光，以藍光和紫光為主。相較於紫光，人類的眼睛對藍光較為敏感。
氣凝膠是由很多奈米粒子所組成的，其孔洞是組成粒子的數十到百倍大小。粒子極小，因為瑞利散射的因素，使得我們所見到的氣凝膠呈現淡藍色。不過要製作完全透明的氣凝膠也不是難事，只要控制好孔洞的大小，讓白光能夠輕易地穿透，減少藍光與紫光的散射，就可以輕易製出透明的氣凝膠。
氣凝膠的特性
氣凝膠的重要特性之一是高比表面積，因為具有奈米級的多孔結構，所以比表面積高達1,000 m2／g以上。此外，氣凝膠也有低熱傳導係數的特性。
空氣是良好的熱絕緣體，在多孔材料的結構中，空氣占的比率稱為孔隙率，氣凝膠的孔隙率可高達99％以上，因此它的熱傳導係數可以低到0.0015 W／m-K，大約是一般常見的隔熱材料硬質泡棉的1／17。以一個較為簡單的比較來說，一塊氣凝膠的隔熱效果，相當於10～20塊玻璃，因此是一種優異的隔熱材料。也因為空氣占絕大部分的體積比率，所以氣凝膠的密度極低。
除了上述較令人矚目的特性外，氣凝膠另外還有低介電常數的特點，這項優點可以應用在現今熱門的半導體材料上。為了因應輕薄短小的趨勢，電子產品愈做愈小，金屬電路之間常常因為太過於接近，而造成信號干擾和大量的電力損耗，因此在這些電路間，必須置入絕緣材料，以減少這些不良因素的發生。這個絕緣層是氣凝膠一項很好的應用，各國研究團隊目前還一直在這方面作努力與測試。
空氣的折射率是1，因為氣凝膠內空氣占的比率極高，所以它的另一個獨特優點就是低折射率，一般可以低到1.18左右，非常接近空氣的折射率，這項特性已被科學家應用在光學材料上，例如有機發光二極體的放射光的耦合輸出。因為來自光源的光會在玻璃與空氣的界面上產生內反射而損失，導致放光效率降低。若把低折射率的氣凝膠放在有機發光二極體的發光層與玻璃基板之間，來自光源的光會有效地穿過玻璃基板，而減少因為內反射所造成的光損失。
多功能的應用
氣凝膠因為它的獨特性質，應用的觸角延伸至每一個層面，以下簡單介紹幾種特殊的應用。
隔熱與防火材 氣凝膠因為內部的空氣占有大部分的體積，所以隔熱效果極佳。
在隔熱的應用上，範圍最為廣泛，以日常生活來說，可以製作成大型的隔熱窗做為建材使用。節約能源和環境保護是目前重要的議題，為了減少核能廢料或火力發電所使用的燃料，太陽能發電成為一個新的主流，而為了提高收集太陽能的效率與減少熱能的損失，可以利用氣凝膠包覆在太陽能儲存系統內，以減少熱能的損失。
電容 氣凝膠因為奈米級多孔的特性，擁有極大的比表面積，科學家發現可以應用在聚集電荷上，製作成大電容量的電容。
太空塵收集器 彗星尾巴中含有非常多的微粒，這些微粒以極高的速度行進，是一般來福槍所射出子彈速度的6倍，在高速的碰撞下，有可能會變形，或是改變化學的組成，甚至蒸發消失不見，因此不易收集檢測。
美國太空總署為了克服這個難題，利用氣凝膠收集太空中的彗星微粒。當微粒撞擊到氣凝膠時，會直接埋入其中，氣凝膠則會因為撞擊形成三角錐狀的長形洞穴，減緩微粒飛行的速度，使微粒停止運行，不會因為撞擊而遭破壞。並且在透明的氣凝膠中可直接進行觀測，以確定其飛行的方向。最後，再把微粒帶回地球做進一步的分析。
藥物釋放 現今的奈米科技相當發達，我們可以利用氣凝膠的多孔特性，進行藥物釋放的工作。為了減少藥物的浪費，並且使藥物有效地進入受到感染的部位做最有效的治療，奈米級的多孔孔道便成為目前熱門的研究範疇。氣凝膠是一種無毒性的材料，又擁有四通八達的奈米通道，可以控制藥物的釋放，進而達到有效治療的目的。因此，利用氣凝膠做為藥物釋放平台的研究，是生化科學家目前積極投入的領域之一。
氣凝膠的未來
氣凝膠始終是一個謎樣的材料，雖然可以很輕易地應用它獨特的優點於日常生活與科學上，卻仍然還有很多潛在的應用有待開發，也會對未來的科技發展造成很大的衝擊。
在氣凝膠的製作上，使用的超臨界萃取乾燥程序，需要耗費很高的成本，因此直到現在仍然處於實驗室內的研究開發階段，只有國外少數企業有足夠的能力進行大量的生產。為了成本的問題，很多的研究團隊還在努力地尋求簡易又便宜的製作方式。
另一個缺點就是氣凝膠的易脆性，因為結構的纖細，使得它在應用上非常困難，為了製作機械強度高的氣凝膠，科學家把它添加到纖維內，做成強度高的氣凝膠纖維，解決了一部分應用上的困難，不過仍有其他難題等待解決。無論如何，在21世紀裡，氣凝膠將有機會成為我們日常生活中的好朋友。
