在最近的幾十年中，對建筑物的高性能隔熱的追求促使制造商轉(zhuǎn)向了氣凝膠。這些非凡的材料發(fā)明于1930年代，是半透明的，超多孔的，比棉花糖輕的，足以支撐磚塊的強(qiáng)度以及無與倫比的熱阻隔性能，使其成為在寒冷的冬日里和夏季溫度下保持熱量的理想之選騰飛。

五年前，由機(jī)械工程學(xué)系教授兼系主任Evelyn Wang和電力工程學(xué)教授Carl Richard Soderberg的Gang Chen領(lǐng)導(dǎo)的研究人員著手在該列表中增加一個屬性。他們的目標(biāo)是制造真正透明的二氧化硅氣凝膠。

Wang說：“我們開始嘗試實(shí)現(xiàn)用于太陽能熱系統(tǒng)的光學(xué)透明，隔熱的氣凝膠。” 將一塊氣凝膠片集成到太陽能集熱器中，可以使陽光不受阻礙地進(jìn)入，但可以防止熱量散發(fā)出來-這是當(dāng)今系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵問題。如果透明氣凝膠足夠透明，則可以將其合并到窗戶中，在窗戶中可以起到良好的隔熱作用，但仍可以讓乘員看到。

當(dāng)研究人員開始工作時(shí)，即使是最好的氣凝膠也無法滿足這些任務(wù)。Lin Zhao博士說：“人們幾十年來一直知道氣凝膠是一種很好的絕熱材料，但它們無法使其具有很高的光學(xué)透明性。” '19機(jī)械工程。“因此，在我們的工作中，我們一直在試圖確切地理解為什么它們不是很透明，然后我們才能提高它們的透明度。”

氣凝膠：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

二氧化硅氣凝膠的卓越性能是其納米級結(jié)構(gòu)的結(jié)果。要使該結(jié)構(gòu)可視化，請考慮將一堆清晰的小顆粒拿在手中。想象一下，這些粒子彼此接觸并稍微粘在一起，在它們之間留下了充滿空氣的間隙。類似地，在二氧化硅氣凝膠中，透明的，疏松連接的納米級二氧化硅顆粒在總體上以空氣為主的整體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成三維固體網(wǎng)絡(luò)。由于存在所有的空氣，二氧化硅氣凝膠的密度極低(實(shí)際上是所有已知的散裝材料中密度最低的一種)，但它既堅(jiān)固又結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，盡管很脆。

圖2：這些圖顯示了隨著樣品厚度的增加，氣凝膠樣品的總透射率(頂部)和霧度(底部)。(所有樣品的密度為200千克/立方米。)曲線顯示的結(jié)果假設(shè)納米顆粒的平均粒徑為3納米(黑色)，6 nm(紅色)和9 nm(藍(lán)色)。圖片來源：麻省理工學(xué)院

如果二氧化硅氣凝膠是由透明顆粒和空氣制成的，為什么它不透明?因?yàn)檫M(jìn)入的光不會全部直射。每當(dāng)它遇到固體顆粒與周圍空氣之間的界面時(shí)，就會轉(zhuǎn)移。圖1說明了該過程。當(dāng)光進(jìn)入氣凝膠時(shí)，其中的一些會被吸收。有些被稱為直接透射，會直接穿過。這些接口一路重定向。它可以在任意方向上分散多次，最終以一定角度離開氣凝膠。如果它從其進(jìn)入的表面出射，則稱為漫反射率。如果從另一側(cè)出射，則稱為漫透射率。

為了制造用于太陽能熱系統(tǒng)的氣凝膠，研究人員需要最大程度地提高總透射率：直接成分和擴(kuò)散成分。為了制造用于窗戶的氣凝膠，他們需要最大化總透射率，同時(shí)最小化散射光占總透射率的比例。趙說：“使漫射光最小是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼤勾皯艨雌饋頊啙帷?rdquo; “我們的眼睛對透明材料中的任何缺陷都很敏感。”

開發(fā)模型

納米顆粒的尺寸和它們之間的孔對通過氣凝膠的光的命運(yùn)有直接影響。但是要弄清通過反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行的交互，將需要對太多的樣本進(jìn)行綜合和表征，以至于無法實(shí)用。“人們無法系統(tǒng)地了解結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，”趙說。“因此，我們需要開發(fā)一個將兩者聯(lián)系起來的模型。”

首先，Zhao轉(zhuǎn)向了輻射傳輸方程，該方程以數(shù)學(xué)方式描述了通過介質(zhì)的光(輻射)傳播如何受到吸收和散射的影響。它通常用于計(jì)算通過地球和其他行星大氣的光傳輸。據(jù)Wang所知，尚未針對氣凝膠問題進(jìn)行過充分的探索。

散射和吸收都可以減少通過氣凝膠傳輸?shù)墓饬浚⑶夜饪梢员簧⑸涠啻?。為了解決這些影響，模型將兩種現(xiàn)象解耦并分別針對每個波長的光對它們進(jìn)行量化。

圖3：數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示了三個MIT樣品和九個最新的二氧化硅氣凝膠的總透射率和霧度。透明度為100%，霧度為0%的氣凝膠將落在該圖的右下角。MIT樣品的效果最佳，即使與單窗格玻璃(以綠色條表示)相比也是如此。圖片來源：麻省理工學(xué)院

基于二氧化硅顆粒的大小和樣品的密度(總孔體積的指標(biāo))，該模型通過使用電磁理論的預(yù)測值確定氣凝膠層的吸收和散射行為，從而計(jì)算出氣凝膠層內(nèi)的光強(qiáng)度。利用這些結(jié)果，它可以計(jì)算出有多少入射光直接通過樣品，以及有多少沿該方向散射并發(fā)出散射光。

接下來的任務(wù)是通過將模型的理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較來驗(yàn)證模型。

合成氣凝膠

并行工作的機(jī)械工程研究生Elise Strobach一直在學(xué)習(xí)如何最好地合成氣凝膠樣品-既可以指導(dǎo)模型的開發(fā)并最終進(jìn)行驗(yàn)證。在此過程中，她對如何合成具有特定所需結(jié)構(gòu)的氣凝膠產(chǎn)生了新見解。

她的程序從一種稱為硅烷的普通硅開始，該硅與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成氣凝膠。在該反應(yīng)期間，微小的成核位置出現(xiàn)在顆粒開始形成的位置。它們建立的速度決定了最終的結(jié)構(gòu)。為了控制反應(yīng)，她添加了催化劑氨。通過仔細(xì)選擇氨與硅烷的比率，她首先使二氧化硅顆粒快速生長，然后在前體材料消失后突然停止生長，這是生產(chǎn)小而均勻的顆粒的方法。她還添加了一種溶劑甲醇，以稀釋混合物并控制成核位置的密度，從而控制顆粒之間的孔隙。

硅烷與水之間的反應(yīng)形成一種凝膠，該凝膠包含固體納米結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔填充了溶劑。要干燥濕凝膠，Strobach需要將溶劑從毛孔中抽出并用空氣代替，而不會破壞微妙的結(jié)構(gòu)。她將氣凝膠放入臨界點(diǎn)干燥器的壓力室中，并將液態(tài)CO 2注入該室中。液態(tài)CO 2沖洗掉溶劑，并將其置于孔內(nèi)。然后，她緩慢升高室內(nèi)的溫度和壓力，直到液態(tài)CO 2轉(zhuǎn)變成其超臨界狀態(tài)，此時(shí)液相和氣相不再能區(qū)分。緩慢釋放腔室會釋放CO 2并留下已充滿空氣的氣凝膠。然后，她對樣品進(jìn)行了24小時(shí)的退火處理(這是一種標(biāo)準(zhǔn)的熱處理工藝)，這在不犧牲強(qiáng)保溫性能的情況下會稍微減少散射。即使經(jīng)過24小時(shí)的退火處理，她的新穎程序也將所需的氣凝膠合成時(shí)間從數(shù)周縮短到不到4天。

圖4：性能與平均顆粒半徑和密度的關(guān)系。這些圖顯示了總透射率(頂部)和霧度(底部)與平均顆粒半徑和氣凝膠密度的關(guān)系。等高線圖顯示了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)透射率和霧度所需的粒徑和密度(兩個可控制的特性)。圖片來源：麻省理工學(xué)院

驗(yàn)證和使用模型

為了驗(yàn)證該模型，Strobach制作了厚度，密度，孔隙和粒徑均受控的樣品(由小角度X射線散射確定)，并使用標(biāo)準(zhǔn)分光光度計(jì)測量總透射率和漫透射率。

數(shù)據(jù)證實(shí)，基于測得的氣凝膠樣品的物理性質(zhì)，該模型可以計(jì)算光的總透射率以及稱為霧度的清晰度度量，其定義為由漫射光構(gòu)成的總透射率的分?jǐn)?shù)。

該練習(xí)證實(shí)了趙在開發(fā)模型時(shí)所做的簡化假設(shè)。此外，它還表明輻射特性與樣品的幾何形狀無關(guān)，因此他的模型可以模擬任何形狀的氣凝膠中的光傳輸。它不僅可以應(yīng)用于氣凝膠，而且可以應(yīng)用于任何多孔材料。

Wang指出了她認(rèn)為從建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出的最重要的見解：“總體而言，我們確定了在不降低隔熱性能的情況下獲得高透明度和最小霧度的關(guān)鍵是要使微粒和孔隙真正小而均勻大小。”她說。

一項(xiàng)分析表明，粒徑的微小變化可能會導(dǎo)致行為發(fā)生變化。許多應(yīng)用要求使用更厚的透明氣凝膠片，以更好地阻止熱傳遞。但是增加厚度可能會降低透明度。只要粒徑小，增加厚度以實(shí)現(xiàn)更好的隔熱效果都不會顯著降低總透射率或增加霧度。

圖5：為測試氣凝膠增強(qiáng)型太陽能熱接收器的可行性，研究人員設(shè)計(jì)并制造了上圖所示的設(shè)備。他們從傳統(tǒng)的黑體吸收器開始，吸收器吸收輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱量。他們在吸收器上方放置了一堆二氧化硅氣凝膠塊，優(yōu)化了該結(jié)構(gòu)以使陽光進(jìn)入并防止熱量散逸。結(jié)果是低成本，高性能的太陽能熱系統(tǒng)。圖片來源：麻省理工學(xué)院

比較MIT和其他地方的氣凝膠

他們的方法有什么不同?“我們的氣凝膠比玻璃更透明，因?yàn)樗鼈儾环瓷?它們沒有眩光點(diǎn)，玻璃無法捕捉光線并向您反射，” Strobach說。

對于Lin來說，他們工作的主要貢獻(xiàn)是制定了材料設(shè)計(jì)的通用準(zhǔn)則，如上面幻燈片中的圖4所示。在這種“設(shè)計(jì)圖”的幫助下，用戶可以為特定應(yīng)用定制氣凝膠。根據(jù)等高線圖，他們可以確定可控氣凝膠特性(即密度和粒徑)的組合，以實(shí)現(xiàn)許多應(yīng)用所需的目標(biāo)霧度和透射率結(jié)果。

太陽能集熱器中的氣凝膠

研究人員已經(jīng)證明了其新型氣凝膠對太陽能熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的價(jià)值，該系統(tǒng)通過吸收輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱能將太陽光轉(zhuǎn)化為熱能。當(dāng)前的太陽能熱系統(tǒng)可以在所謂的中間溫度(120到220攝氏度)之間產(chǎn)生熱能，該中間能用于水和空間供暖，蒸汽產(chǎn)生，工業(yè)過程等。實(shí)際上，2016年，美國的熱能消耗量超過了所有可再生能源的總發(fā)電量。

但是，最先進(jìn)的太陽能熱系統(tǒng)依靠昂貴的光學(xué)系統(tǒng)來聚集入射的陽光，特別設(shè)計(jì)的表面可以吸收輻射并保留熱量，還需要昂貴且難以維護(hù)的真空罩來防止這些熱量散逸。迄今為止，這些組件的成本限制了市場的采用。

圖6：這些曲線顯示了研究人員的氣凝膠接收器在冬季的上午11點(diǎn)至下午1點(diǎn)的自然陽光下達(dá)到的溫度。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，簡單的氣凝膠系統(tǒng)可以很好地工作-無需昂貴的光學(xué)器件，太陽能吸收器或真空罩。圖片來源：麻省理工學(xué)院

趙和他的同事認(rèn)為使用透明的氣凝膠層可以解決這些問題。放置在吸收器上方，它可以讓入射的太陽輻射通過，然后阻止熱量散逸。因此，它基本上可以復(fù)制導(dǎo)致全球變暖的自然溫室效應(yīng)，但是要在很小的程度上達(dá)到極限，并取得積極的成果。

為了進(jìn)行試驗(yàn)，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于氣凝膠的太陽能熱接收器。該設(shè)備包括一個近乎“黑體”的吸收體(涂有黑色涂料的薄銅片，吸收掉在其上的所有輻射能)，其上方是一疊優(yōu)化的，低散射的二氧化硅氣凝膠塊，可有效地透射日光和同時(shí)抑制傳導(dǎo)，對流和輻射熱損失。氣凝膠的納米結(jié)構(gòu)經(jīng)過定制，可以最大程度地提高其光學(xué)透明度，同時(shí)保持其超低導(dǎo)熱率。在存在氣凝膠的情況下，不需要昂貴的光學(xué)器件，表面或真空罩。

在對該設(shè)備進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)室測試之后，研究人員決定“在野外”對其進(jìn)行測試，在這種情況下，是在MIT建筑物的屋頂上進(jìn)行測試。在冬季的晴天，他們安裝了設(shè)備，將接收器固定在南方，并與水平方向傾斜60度，以最大程度地暴露在陽光下。然后，他們在上午11點(diǎn)至下午1點(diǎn)之間監(jiān)視其性能，盡管環(huán)境溫度較低(低于1攝氏度)并且下午有云，但吸收器的溫度立即開始升高，最終穩(wěn)定在220℃以上。

對于趙來說，人造溫室效應(yīng)已經(jīng)顯示出的性能打開了他所謂的“促進(jìn)太陽能熱利用的令人興奮的途徑”。他和他的同事們已經(jīng)證明了它可以將水轉(zhuǎn)換成高于120攝氏度的蒸汽。與孟買印度理工學(xué)院的研究人員合作，他們現(xiàn)在正在探索印度可能的工藝蒸汽應(yīng)用，并進(jìn)行一個低成本，完全被動的太陽能高壓釜，用于農(nóng)村地區(qū)的醫(yī)療設(shè)備消毒。

Windows等

Strobach一直在為窗戶中的透明氣凝膠尋求另一種有希望的應(yīng)用。她說：“在試圖制造更透明的氣凝膠時(shí)，我們在制造過程中遇到了一種制度，可以使事物更小，但是并沒有導(dǎo)致透明度的重大變化。” “但這確實(shí)在清晰度上做出了重大改變，”窗戶的一項(xiàng)關(guān)鍵功能。

Strobach表示，價(jià)格適中的隔熱窗的可用性會產(chǎn)生多種影響。每年冬天，美國的窗戶都會失去足夠的能量來為5000萬戶家庭供電。浪費(fèi)的能源每年使經(jīng)濟(jì)損失超過320億美元，并產(chǎn)生約3.5億噸CO 2，超過7600萬輛汽車的排放量。消費(fèi)者可以選擇高效的三窗格窗口，但是它們是如此昂貴，以致于沒有被廣泛使用。

斯特羅巴赫(Strobach)及其同事的分析表明，用氣凝膠窗格代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙窗格窗口中的氣隙可能是答案。結(jié)果可能是雙層玻璃窗，其隔熱性比傳統(tǒng)的雙層玻璃窗高40%，隔熱性是當(dāng)今三層玻璃窗的85%，而價(jià)格卻不到其一半。更好的是，該技術(shù)可以很快被采用。氣凝膠窗格的設(shè)計(jì)適合當(dāng)前在整個行業(yè)中普遍使用的兩窗格制造過程，因此只需少量更改即可在現(xiàn)有生產(chǎn)線上以低成本進(jìn)行制造。

在Zhao的模型的指導(dǎo)下，研究人員將繼續(xù)改善其氣凝膠的性能，特別關(guān)注在保持透明度和隔熱性的同時(shí)提高透明度。此外，他們正在考慮其他傳統(tǒng)的低成本系統(tǒng)，例如太陽能熱能和窗戶技術(shù)，這將受益于在優(yōu)化的氣凝膠中滑動以產(chǎn)生可吸收大量陽光的高性能隔熱層。