氣凝膠的誕生源於天才的奇想,實現於不懈的探索與創造。

 2018-05-21 08:00:00.0

在氣凝膠行業蓬勃發展的今天,每一位從業人員都要感謝Samuel Stephens Kistler,是這位美國科學家研製出了世界上第一塊氣凝膠,並且,他投入了很多精力來研究氣凝膠材料的特性和用途。

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封閉小鎮走出的科學巨匠

1900 年 3 月 26 日, Kistler 出生於美國加利福尼亞州東北部的塞達維爾( Cedarville )。 在孩提時代,他一直住在這個只有 500 人的閉塞小鎮——塞達維爾小鎮交通極不便利,居民們必須乘坐長途汽車走 75 英里才能到達火車站,然後再坐上火車奔波 100 英里,才能抵達該地區的大都會裡諾 (Reno) 。

當Kistler即將滿12歲的時候,他的家庭出現了一些變故,Kistler舉家搬遷到了加利福尼亞州西部的聖羅莎(Santa Rosa)。

離開封閉的小鎮,使Kistler接觸到了外面的世界,也使他接受了更正規、更良好的教育。高中時期,Kistler除了在學校修化學課程外,他還進入了一個私人化學實驗室,在高中就完成了大學化學的第一年課程。

1917年,Kistler進入太平洋學院(College Of The Pacific)就讀,主要學習化學、物理、天文學、地質學和植物學。1920年,Kistler轉入史丹福大學攻讀學士,並於第二年獲得了化學學士學位。在提交的論文中,Kistler提出了超臨界流體中胺基酸的結晶理論,這是他對超臨界流體的早期探索,也是世界上最早研究超臨界流體性能的科學家之一。

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Kistler(後排中)與學生們在一起

1922年,Kistler在加州標準石油公司(Standard Oil Co.)工作了一小段時間。但酷愛化學研究的他毅然放棄了公司優厚的待遇,在1923年回到太平洋學院教授化學並繼續他的化學研究。1927年,Kistler回到了史丹福大學,攻讀博士學位。

打賭成了氣凝膠誕生契機

第一塊氣凝膠究竟是Kistler在何時、何地研發出來的,至今尚無定論。

目前,科學界普通認為,氣凝膠發明於1931年。這是因為,關於氣凝膠的第一篇論文,由Kistler於1931年發表在《自然》雜誌上(第127卷,第741頁),標題為《共聚擴散氣凝膠與果凍》(Coherent expanded aerogels and jellies)。於是,大家就將1931年視作氣凝膠誕生的時間。

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Kistler(右)與時任太平洋學院院長

另外,在1932年,Kistler在《物理化學雜誌》中刊登了一篇關於氣凝膠的文章,在該文致謝部分,他對J·W·Mcbain博士的慷慨協助及Charles Learned的建議,表示了由衷的感謝。而且,太平洋學院辦公室資料可以證實,Charles Learned於20世紀20年代末為該學院的本科生。這就意味著,第一塊氣凝膠很有可能是 Kistler博士在太平洋學院製造出來的。

還有一個廣為傳播的典故,氣凝膠的誕生源於Kistler與Charles Learned的一次打賭——看誰能夠將凝膠內的液體換成氣體同時不使固體結構發生變化。

眾所周知,如果直接通過蒸發將膠體中的液體與固體分離,由於毛細管力的強大作用,必然會導致固體的收縮和結構坍塌。經過不斷的探索,Kistler終於用酒精超臨界乾燥技術完美地解決了這個世界難題。就這樣,世界上第一塊氣凝膠——二氧化矽氣凝膠誕生了。

此後,Kistler博士並不滿足,又做出了多種材質的氣凝膠。

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Kistler晚年科研照片

有關氣凝膠的誕生還有一個未解之謎:「氣凝膠」(aerogel)這個詞是怎麼來的?通常的解釋是,aerogel是個組合詞,aero是形容詞,表示飛行的,gel則是凝膠的意思,組合起來的字面意思即為「可以飛行的凝膠」。任何物質的gel,只要經特殊工藝乾燥除去內部溶劑,又可基本保持其形狀不變,且產物高孔隙率、低密度,就可以漂浮於空氣中,就可稱為氣凝膠(aerogel)了。

那麼,氣凝膠這個詞究竟是Kistler博士靈光一閃命名的,還是他從別人那裡聽到的呢?他當初是否想過其他的名字呢?這已經被湮滅在歷史長河之中。

唯努力與夢想不會被辜負

在發明了氣凝膠之後,Kistler又花費了大量的精力來研究這種新物質形態的特點。

氣凝膠是一種三維納米網絡多孔材料,內部99.8%都是氣體。將二氧化矽氣凝膠放在暗色面前會呈現藍色,放在淺色面前幾乎消失不見,它雖然不像玻璃那麼透明,卻比玻璃更隱形、更難看見。

Kistler當時就發現,氣凝膠最神奇的特性就是隔熱,氣凝膠內部的納米孔結構有效地阻止了空氣對流產生的熱傳導。這就賦予了氣凝膠非常驚人的隔熱效果,就算在一片很薄的氣凝膠下方放一盞點燃的煤氣燈,幾分鐘後在氣凝膠上方的鮮花依然芳香如故。

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於是,Kistler在相關論文的結語中曾寫道:「上述觀察除了深具科學意義,氣凝膠帶來的新物理性質也很有意思。」

在20世紀40年代早期,為了讓氣凝膠材料得到更廣泛的應用,Kistler與美國孟山都公司(Monsanto Corp.)簽訂了一份二氧化矽氣凝膠的生產許可協議。從此,孟山都公司開始在麻薩諸塞州埃弗雷特的一家工廠進行生產,並以「Santocel」、「Santocelc - c」、「Santocel-54」和「Santocelz -z」命名,並曾銷售了一些,但由於高昂的售價,當時的市場難以接受,孟山都的氣凝膠項目就夭折了。

1952年,Kistler博士離開私營企業回到大學校園,擔任猶他州大學工程學院院長。在這段時間裡,Kistler潛心於教學和研究工作,根據猶他州大學關於Kistler的傳記資料記載,Kistler的專利多達60多項,並曾擔任多家先進開發公司的特別顧問。

資料記載,Kistler博士將自己研發成果的授權費捐給了猶他州立大學工程學院,用於資助新項目和那些無法從傳統渠道獲得資金的特殊項目,並為學院購買了許多特殊設備。通過持續的努力,Kistler博士使工程學院成為全國最知名的工程學院之一。

1975年,這顆材料界的巨星隕落了,縱觀Kistler輝煌與傳奇的一生,從化學和工程到教育、從科學政策到世界事務,Kistler均作出了傑出的貢獻。但遺憾的是,Kistler生前無緣見到氣凝膠材料出人頭地。不過,歷史是公正的,氣凝膠以王者的姿態於上世紀末進入了人們的視野,應用領域逐漸擴大,正在成為航空航天、建築、石油化工、軍工、熱能工程、交通運輸和家用電器等領域絕熱材料的上佳選擇。

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愛彼愛和新材料有限公司自創立之日起,秉承著Kistler的遺志,銳意創新、改進工藝、降低成本,研發出了具有獨立自主智慧財產權的氣凝膠產品。2016年,愛彼愛和註冊了氣凝膠品牌Kistler®,以此來表達對氣凝膠發明人的致敬。

愛彼愛和新材料有限公司董事長田雷指出,「氣凝膠的誕生,源於偉大的創想和天才的創造。愛彼人將時刻保持著對未知的好奇,對未來的期待,研發、生產出更多、更先進的材料,更深刻地改變這個世界。」