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)
东西问·中外对话 | 消除“月经贫困”,东西方如何合作?******
中新社北京5月28日电 题:消除“月经贫困”,东西方如何合作?
中新社记者 曾鼐
5月28日是国际经期卫生日。月经并非一个仅属于女性的私密话题,它背后关乎广大女性的健康和尊严。如今,“月经贫困”已成一个世界性问题。消除“月经贫困”,如何推动全球行动?创新科普宣传,中外该如何合作?中新社“东西问·中外对话”邀请联合国人口基金驻华代表康嘉婷(Justine Coulson)对话快手博主“科学少女壳酱”王鸿坦。
康嘉婷表示,在不少地区,月经的污名化现象仍然存在,需要国际合作消除“月经歧视”“月经贫困”。她指出,一些西方的、旧有的心理健康支持模式,不一定适合全球其他国家和地区,要依托新技术手段,在青年群体中开展心理健康和科普工作。
作为一名科普博主,王鸿坦认为,一些错误认知可能是代代相传导致,建议东西方在女性健康等领域加强合作,例如在校园中推进互助项目,更多关注贫困地区女性健康安全。
对话实录摘编如下:
中新社记者:为什么一些地区会有“月经羞耻”的文化?“月经歧视”的现象严重吗?
康嘉婷:无论高收入国家还是低收入国家,每天都有很多女性,因为月经而受到歧视或遭受不公平对待。这可能是由于文化禁忌或对月经的污名化造成的,也可能是因为她们没钱购买卫生用品。在一些文化中,女性在月经期间被认为是不洁或肮脏的,这显然是一个误区,但她们却因此被所在社群排斥。
在一些国家还存在其他形式的歧视,例如,女孩在学校来月经时会被男孩取笑、甚至遭遇性骚扰。有时,当一个女孩开始来月经后,尽管她还是个孩子,人们就认为她可以结婚了,这些女孩可能会被迫早婚。对于不少女性来说,经期安全仍然是一个严峻问题。
王鸿坦:历史上,“月经羞耻”是源于社会对月经没有科学认知,又因月经与性相关,本身属于较私密话题,常常被污名化。例如,在罗马时代有学者称,如果经期妇女碰到铁,铁会生锈,如果她碰到麦子,麦子会枯萎。随着现代医学发展,越来越多人认识到,月经属于正常生理现象,但受文化等因素影响,“月经羞耻”仍然刻在一些人的认知中。消除“月经歧视”“月经羞耻”的问题,教育是非常重要的环节,需要在小朋友、青少年的成长阶段,为他们构建科学的认知体系。
中新社记者:“月经贫困”是什么?如何通过国际合作,解决“月经贫困”?
康嘉婷:“月经贫困”是指妇女或青春期女孩没有足够资金购买卫生用品、治疗疼痛的药物、新内衣等一切保障经期健康所需要的物资。“月经贫困”不仅发生在经济落后的国家,每个国家的贫穷女性都可能面临此问题,例如,在欧盟或我所在的国家英国,统计显示,预计每十个女孩中就有一个买不起每月所需的卫生用品。尤其疫情期间,很多家庭承受了额外的经济压力。
值得注意的是,当女孩需要这些卫生用品却无力购买时,她们可能会做出危险的事情,例如,她们可能会被迫去商店里偷东西,或进行性交易;女孩们也会因为买不起卫生产品,就不去上学了。
为了解决“月经贫困”的问题,一些国家的政府减少或取消卫生用品的增值税,以降低经期管理成本,但国际社会仍需要做更多工作。无论是东方还是西方,要意识到我们生活在一个全球化的世界,有社会责任的企业也可以作出贡献。特别是在非洲地区,女性面临的困难可能更多,应该通过合作去解决问题。
当女孩受到歧视时,她们也会面临心理健康的问题。特别需要注意的是,一些来自西方的、旧有的心理健康支持模式,并不一定适合全球其他国家和地区。随着互联网的普及,未来可更多通过网络在年轻人中开展心理健康指导工作。
中新社记者:联合国人口基金与中国的合作情况如何?
康嘉婷:几十年来,联合国人口基金与中国政府以及其他合作伙伴保持密切合作,致力于加强孕产妇保健服务等,中国的孕产妇保健质量有了显著的提高和改善,可预防的母婴死亡率明显下降。在青年群体和残疾人群体中,我们也与当地合作做了大量工作,普及性教育知识等。同时,也与中国各级政府合作,消除“重男轻女”的风气,我认为,中国在这方面取得了令人难以置信的进步。
中新社记者:女性在月经期间,喝热水有助于缓解不适吗?社会应如何更有效推动科普工作?
康嘉婷:全球范围内,平均有20%的女性在月经期间感到虚弱和疼痛。对于女性来说,能够有条件管理经期健康、获得止痛药、向医疗工作者寻求咨询,这些是非常重要的。如果你想在月经期间喝热水,喝热水会让你感觉更好,那喝热水就没有坏处。我认为,在获取正确信息的基础上,做出个人选择,这才是最重要的事情。
王鸿坦:网络流传的一些经期“保养秘方”,大多不科学,例如经期一定要多喝热水,热饮本身可能会对舒张血管有一定作用、缓解一点疼痛,但不适用所有人。经期处于一个更容易感染的状态,需要注意个人卫生,可以用温水清洗,但不可盲目购买网上推荐的洗液,洗液主要是针对一些疾病进行治疗,如果本人是健康状态,过度使用洗液反而容易生病。
做科普工作时发现,一些错误认知可能是“代代相传”造成的,尤其在社交媒体时代,谣言有了更广泛传播的可能。在女性健康等领域,建议东西方加强合作,例如在校园中推进互助项目,向青少年普及科学知识,将“月经歧视”“月经羞耻”等问题消除在萌芽阶段。同时建议推动社会民间组织合作,更多关注贫困地区的女性安全。
中新社记者:消除“月经歧视”,男性能做什么?
康嘉婷:回想起40年前,在我上学时,当女孩到了12岁,会被带去“谈话”,所谓“谈话”,即所有女孩被带到学校礼堂,听一场30分钟有关经期的演讲,没有提问机会。这是在那个年代,老师跟年轻人介绍月经的方式。在那次30分钟的“谈话”后,接下来5年学校生涯中,我再也没有其他机会讨论经期健康,男孩们也没有得到任何关于月经健康的信息或指导。
现在,不应该再有人重复我12岁时的那种经历——仅仅跟女孩们在学校聊一次月经健康。现在需要在学校的生物课、性教育课程中设计相关的环节,让男孩和女孩一起学习月经知识,让他们知道,这是一个正常的生理过程,而不是一个禁忌。(完)
(文图:赵筱尘 巫邓炎) [责编:天天中] 阅读剩余全文() ![]() 开心彩票地图 |