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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）

狗脸识别、智慧铲屎、电子游戏......未来我们和宠物的互动有多丰富******

        从“饲养”到“陪伴”，宠物已成为人们不可或缺的家庭成员。

        Euromonitor最新数据显示，2015至2021年，全球宠物市场规模从1098亿美元稳步攀升到了1597亿美元，年复合增长率达6.4%。在中国，宠物消费市场规模更是在十年间从140亿元大幅攀升至2490亿元。

        在物联网、大数据、人工智能等技术的加持下，我们与宠物的互动越来越丰富。未来，科技将怎样帮助我们提升和宠物的亲密度？我们可以怎样智慧养宠？

图源：pixabay

       “铲屎官，陪我打游戏”

        玩电子游戏已经不是人类的特权！英国初创宠物品牌Joipaw已经开发一款给宠物狗使用的游戏家用主机，名为“Joipaw”。该产品带有一块触控屏幕以及自动投喂器。

    图源：joipaw

        未来，我们或许可以看到这样的画面。

        回到家，发现狗子正在屏幕前“奋战”，不亦乐乎。它用鼻子精准地“捉”住了屏幕上的每一只地鼠。而投食机在狗子每次成功触及屏幕中的地鼠时，投放零食给与奖励。狗子疯狂进食，津津有味。

        不止如此，Joipaw还为他们的主机搭配了运动穿戴设备，这些设备既可以供饲养人通过APP来监控宠物，还可以直接关联游戏内容，进行额外的游戏控制。

    图源：Joipaw

        英国开放大学动物-计算机交互教授兼 Joipaw 的科学顾问克拉拉·曼奇尼 (Clara Mancini) 说，针对狗的触摸屏大脑游戏的研究虽然才刚开始，但“非常有前途”。她认为，这项技术可以帮助患有痴呆症的狗，或者让那些因为住在收容所而不太活跃的狗变得更活跃。

       “铲屎官，带好我的身份证”

        世界上不存在两片完全相同的树叶，也不存在两只鼻纹完全相同的狗子。

        与人类指纹类似，犬类鼻纹具有唯一性与稳定不变性，甚至不会随着成长而改变。主人只需对准犬鼻进行简单的抓拍或者视频录像，系统通过犬鼻检测，定位出鼻纹关键点，将提取到的鼻纹深度图信息汇入后台数据库，更可为犬只生成一张专属的身份证。

    图源：旷视科技

        在AI技术日趋普及的当下，犬鼻纹识别技术是通过对比犬鼻纹图像特征之间的相似性来确定犬只的身份，其核心技术是使用模式识别、图像处理等方法对犬只的鼻纹特征进行描述、匹配和分类，从而实现自动的犬只个体认证。对比现有的DNA认证和芯片认证，鼻纹识别具有识别精度高、宠物友好性高、操作体验好、反作弊性强、成本低等优点，具有广泛的应用前景。

    图源：支付宝

        目前，已有科技公司推出宠物的鼻纹识别解决方案，用于城市中的宠物管理，如AI寻宠、宠物门禁、在线犬证办理等。此方案主要通过模式识别、图像处理等方法对犬只的鼻纹特征进行描述、匹配和分类，从而实现犬只的识别与认证。

        当宠物拥有专属ID，有关犬的基本信息、生活动态、消费记录、服务和医疗等信息都将与之绑定。由此拓展的宠物比赛、宠物保险、宠物医疗、宠物零售等场景都将呈现出更多样的可能性。

       “铲屎官，我们谈谈”

        利用擅长模式分析的人工智能，我们或许可以真正破译动物语言，与猫、鸟类，甚至鲸鱼等动物直接对话。届时，人类与动物的关系或将掀开新一页。

        美国北亚利桑那大学科恩·斯洛伯德克夫创建了一个名为Zoolingua的公司，目标是开发一种人工智能，让人们能与宠物顺畅地沟通交流。他认为，如果人类能了解到一点点动物们的想法，同时让动物们了解一点点我们的想法，二者之间的关系将完全不同。

    图源：Zoolingua官网

        因此，该团队观察狗子在特定环境下的叫声和行为，并对这些复杂的通信形式进行分类和分析，最终可以有效准确地在计算机程序中，将“汪汪”翻译成英语。

        根据Zoolingua的统计，美国每年约有二至四百万只狗被安乐死。其中大部分归因于行为问题，而这些问题的出现主要是因为人与狗之间缺乏沟通。该团队认为，如果能找出狗子的行为与我们指令相出入的原因，我们就可以解决很多行为问题并拯救很多狗。

       “铲屎官，今天你铲屎了么”

        通过DNA检测技术和无人机，狗子的粪便可以被精准锁定，并找到那个拒绝铲屎的铲屎官，进行追责和教育。

    图源：PooPrints

        从DNA采集的角度来说，美国DNA技术宠物公司PooPrints已经有了成熟的方案。

        首先，要在每个狗子的身上提取到生物信息数据样本。然后，每只狗的基因档案都被注册，并安全地上传到DNA世界宠物登记数据库中，狗主人还需要填写一份关于本人的基本信息，相关信息会存储到狗子的“身份证”中。最后，只需要从“犯罪现场”提取到证据，将样品证据返回实验室进行处理，就可以将粪便与狗子们匹配上，从而找到这个懒惰的铲屎官了。

    图源：pooprints

        那如何追踪狗子的粪便呢？

        荷兰企业家Gerben Lievers将传感器和机器人综合成了“无人机铲屎官”。第一个无人机模型名为Watchdog1，主要使用热成像技术，通过与周围区域相比的温度来定位需要铲的屎。同时，该模型附有GPS定位系统，相关数据会发送到名为Patroldog1的地面机器人上，接收到数据后，地面机器人便负责找到并清理。

        炫酷科技带来震撼的同时，也温暖着我们生活中的点点滴滴。未来，理性与冷酷将不再是机器的代名词，它们将以有温度、有生命感的形象，融入每一个家庭，让家庭智能起来。（整理：李飞 策划：穆子叶）

        参考 | 虎嗅网、文汇报、中国青年网

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）