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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）

加强生态修复 守护黄河湿地******

　　河南黄河湿地国家级自然保护区三门峡管理处——

　　加强生态修复 守护黄河湿地(新时代新征程新伟业)

　　扑棱棱，两只大天鹅展开白翅，踏水起飞。一名摄影者翻越围栏近拍大天鹅，正在黄河边巡护的李丰波上前阻止。

　　“如今，这里湿地生态环境持续向好，每年来三门峡越冬的大天鹅有上万只。”河南黄河湿地国家级自然保护区三门峡管理处保护科科长李丰波告诉记者。

　　河南黄河湿地国家级自然保护区三门峡段，东西长205公里，总面积2.85万公顷，是我国候鸟基本迁徙地、觅食地、越冬地。保护区三门峡管理处，承担所辖湿地的野生动物巡护救护、湿地生态修复治理、疫源疫病监测和大天鹅研究等工作。

　　“党的二十大报告提出‘推行草原森林河流湖泊湿地休养生息’，我们深感责任重大。”三门峡管理处党支部书记张艺凡说，“我们将以习近平生态文明思想为根本遵循和行动指南，保护野生动物，守护黄河湿地，推进湿地保护事业高质量发展。”

　　巡护救护野生动物，保护生物多样性

　　下午3点，李丰波来到距三门峡市区30公里的后地村黄河滩区“天鹅湾”，成群的大天鹅聚集于此，觅食、休憩、飞翔。

　　拿起望远镜，观察有没有大天鹅落单、受伤；打开手机拍照，上报新发现的野生动物，李丰波的工作很充实。1小时后，他开始统计大天鹅数量。“以20只为1个单位计算，汇总其他巡护员的数据，再通过监控视频截屏核对。”李丰波指着不远处的监控器说。近两年，管理处共设置18个监控点，实现半径3公里24小时监测。

　　“3700只，这是‘天鹅湾’实时的大天鹅数量。”李丰波说，与往年同期相比，数量增加了。

　　返回管理处野生动物救护监测中心，李丰波拉上同事崔源，一同观察救助的大天鹅。2020年底，该中心成立，承担全市野生动物的救护、监测、收容、放生工作。

　　院内的一间屋子是大天鹅收容处，两只大天鹅在水池里悠闲地游来游去。

　　“两天前，我们接到求助电话：一只大天鹅落到陕州区张茅乡的村民院中。”负责野生动物救护的崔源驱车前往，将其带回救护监测中心。

　　崔源对大天鹅进行了检查，发现没有外伤，鼻腔中有黏液。他给大天鹅服用药物，补充了葡萄糖。两小时后，大天鹅逐渐恢复。“观察一周，如果康复就放归自然。”崔源说。

　　被救护的野生动物，不只有大天鹅。救护监测中心成立后，已累计救助雕鸮、红腹锦鸡、长耳鸮、豹猫等野生动物100多只。如今，在黄河湿地保护区三门峡段，分布有野生动物1066种、昆虫582种、鱼类84种、脊椎动物486种、野生植物1121种。鸟类从2003年保护区设立前的175种，增加到目前的315种，其中包括黑鹳、大鸨、中华秋沙鸭等9种国家一级保护动物，大天鹅、疣鼻天鹅、灰鹤等34种国家二级保护动物。

　　“贯彻落实党的二十大精神，我们将秉持人与自然和谐共生理念，健全巡护救护制度，加大野生动物保护力度，保护黄河湿地生物多样性。”崔源表示。

　　加强生态修复治理，建设大美湿地

　　曾经，为叩开高秋建养驴场的大门，杨战锋没少犯难。“今天再敲门，一敲就开。”三门峡管理处副主任杨战锋说着，见高秋建迎了出来。

　　年过60岁的高秋建，住在三门峡市城乡一体化示范区禹王路街道官庄村，从事养殖业10多年。2021年9月，河南省林业局发布沿黄河湿地自然保护区鱼塘畜禽养殖整改意见，要求核心区、缓冲区停止养殖，拆除养殖设施；对实验区畜禽养殖，无法清退的，签订多方共管协议，杜绝畜禽粪便污染。

　　高秋建的养驴场位于实验区。起初，杨战锋与三门峡市城乡一体化示范区农业农村局林业科负责人找上门时，高秋建直犯嘀咕：“怕协议签了，养殖场还要拆除。”经过反复解释，高秋建同意签约：占地3亩，养驴100头，不扩大规模，及时清理养殖场粪便，防止渗漏污染。

　　“今天，我们来看看履约情况。”杨战锋说。

　　高秋建赶忙把杨战锋拉到驴舍，“驴粪干燥，周边村民拉到地里当肥料，没有随意堆放。”

　　“养驴没超100头。”杨战锋转了一圈，没发现违约之处。

　　按照要求，三门峡管理处排查出黄河湿地畜禽养殖场13家，均位于保护区的实验区，全部签订保护协议；排查出黄河湿地内果树面积1.3万余亩，涉及农户1551户，全部完成整改并签订规范种植协议。

　　加强生态修复治理，建设大美湿地，三门峡管理处将责任扛在肩上。

　　杨战锋和工作专班，来到陕州区大营镇桥头村黄河滩区。“千亩莲塘”边一派忙碌景象，车辆吊起一棵棵红枫树放入土坑，施工人员培土、踩实，支起防护架。

　　计划种植红枫树700棵，已种植100多棵……杨战锋走进现场了解进度。这里原是一片鱼塘，违规建有农家乐。管理处督促属地于2019年6月底前完成设施拆除，贯通鱼塘水系。2022年3月，陕州区争取到700多万元资金，开展植树种草，实施提升改造，目前已加固坝堤3000多米，种植荷花20多万株。

　　“过去几年间，我们督促整改保护区内132个问题，促进了黄河湿地保护。”杨战锋说。

　　这些年，三门峡市持续开展黄河湿地保护区生态修复，清理餐饮船、捕捞船463艘，清理违规企业24家，实施生态修复185.5万平方米。

　　监测防控疫源疫病，开展大天鹅迁徙科学研究

　　挎上样本采集盒，三门峡管理处野生动物疫源疫病监测站站长侯长江轻轻走向黄河滩，“每个月取样，最怕惊动大天鹅。”

　　在距离大天鹅100多米处，侯长江找到大天鹅排泄物，取出棉签棒取样，随后放入采样管。

　　三门峡管理处自2005年成立以来，持续开展重点物种监测和生物研究项目，防控大天鹅疫源疫病。

　　回到野生动物救护监测中心，侯长江打开超低温冰箱，放入所采样本，“冷冻后，将送往专业的检测机构，作为大天鹅疫源疫病研究的第一手材料。”

　　2020年冬天，巡护员发现多只大天鹅死亡。管理处第一时间取样送检，启动应急处置机制，规范收容救护，并对大天鹅栖息重点区域周边实施消毒。自2021年3月至今，未再发现异常情况。

　　储存了样本，侯长江来到收容处，为之前救助的大天鹅安装卫星信号追踪器，并给大天鹅戴上环形标志。他拿出手机，屏幕上显示大天鹅飞行轨迹监测系统。

　　“有了这套系统，佩戴有卫星信号追踪器的大天鹅从哪里飞来、经过哪里、飞行高度、活动量、停留点位的经纬度，都一清二楚。”侯长江说，通过研究大天鹅迁徙轨迹，发现到三门峡过冬的大天鹅主要来自蒙古国、我国的内蒙古和新疆；每年第一批飞来过冬的大天鹅，到达三门峡的时间通常在农历九月十五前后。

　　2022年2月，三门峡市有关部门给24只大天鹅安装了卫星信号追踪器。目前，12只已经返回三门峡，另有12只正在返回途中。

　　在黄河滩区，侯长江放飞了装有卫星信号追踪器的大天鹅。5分钟后，飞行轨迹监测系统显示大天鹅飞到湿地旁边的麦地。2020年，三门峡管理处组织实施黄河滩区土地平整，在“天鹅湾”周围种植了600亩小麦，作为大天鹅的食源地，并通过观察饮食研究大天鹅的生活习性。

　　“到三门峡的大天鹅，从几十只增加到1.5万只，说明这里的黄河湿地生态变好。接下来，我们要进一步研究大天鹅对栖息地的要求，更好保护三门峡的黄河湿地。”张艺凡说。(人民日报 本报记者 马跃峰 王 者)

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）