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）
6G将让世界更紧密******
【专家访谈】
6G将让世界更紧密
——专访中国工程院院士邬江兴
光明日报记者 陈海波 张晓华
在“共建网络世界、共创数字未来”的倡导下，乌镇峰会正在汇聚数字技术创新的最新成果和最新思考。作为未来数字世界的“超级基础设施”，第六代移动通信技术（6G）引人瞩目。6G如何更好地服务世界、造福人类，共创合作共赢的美好明天？记者就此专访了中国工程院院士、复旦大学大数据研究院院长邬江兴。
6G将开启可持续包容发展新范式
4G和5G已经得到广泛应用，6G还有必要研发吗？这是很多人的困惑。
“如果用一句话来形容，6G将改变世界。”邬江兴笃定地告诉记者，这个改变是建设性、包容性的改变，是用科技创新的力量，弥合数字鸿沟、连接信息孤岛、兼顾各方诉求、以智慧化赋能可持续发展。
为何对6G如此自信？邬江兴作了一番比较：6G不仅能提供50倍于5G的峰值传输速率，还可以将4G时代人与人的高速互联、5G时代人与物的广泛连接，拓展到“人机物智”的充分连接、各种制式网络的包容连接、全球范围的无缝连接，助力人类社会实现“万物智联、数字孪生、智慧涌现、健康有序”的美好愿景。
“6G将创建‘底座网络’，也就是构建一个‘网络之网络’、一个‘服务网络的网络基础设施’，可以把各种制式的网络融合到一个全新的基础网络环境里面，支持多种网络体制及业务以应用模态方式共生共存。”邬江兴说，6G将为全球数字未来提供一套“公共服务”，不同诉求将在其上聚集成安全可信、合作多赢的共同体。
作为面向2030年之后全维空间智能网联基础设施的重要支撑技术，6G可实现更为广泛的空天地海连接，实现更高速率的跨界融合与场景智联，提供更具有弹性、韧性、安全内生的基础网络服务。“因此，6G不会再沿袭传统的几近疯狂的追求性能提升的理念，而是着力探索可持续健康发展的新路径、新范式。”邬江兴说。
关于新路径、新范式，邬江兴预测，6G将融合人工智能、卫星互联、新型材料、网络安全、虚拟现实等技术，打造包容、多元、安全、高效的底座网络生态环境，探索和开辟“性能可靠、成本可担、能耗可控、安全可信、效益可期”等多目标协同的可持续包容性网络发展新范式。通过构建全维可定义的开放式体系，不仅能避免网络升级换代成本，而且能够向下兼容，将3G、4G、5G时代的网络设施和服务“无感迁移”到新的网络环境中，还能为各种新兴应用场景、垂直行业提供“即插即用”式的底座网络接口，支持电信运营商、服务提供商以及不同国家和地区基于个性标准或自有体系的个性化、分众化需求，为人类社会提供更丰富多彩、更安全可靠的智慧服务。
发展6G需要突破广义功能安全壁垒
6G要实现广泛应用，一个不能忽视的问题是信息安全。“在看到科技改变生活、改变社会的同时，也要正视可能出现的潜在风险，防范在前。”邬江兴呼吁。
据他介绍，6G将实现各种智能化技术的大规模应用，其中蕴含了“三重安全风险”，表现为共性安全问题、个性安全问题、广义功能安全问题，其根源是网络空间的“漏洞”“后门”问题向物理空间、认知空间外溢，不但会危及人民群众生命财产安全，而且会影响关键基础设施安全、社会安全稳定。
“6G要实现全球化商用，必须突破广义功能安全壁垒，只有实现了安全可信，才能推进6G技术的健康可持续发展。如果技术上不能有效抑制基于‘漏洞’‘后门’等网络攻击，国家安全问题就会成为6G发展难以逾越的鸿沟。”邬江兴说。
当前我国在6G安全领域已经取得了突破性进展，尤其在内生安全领域已获得全球认同。邬江兴指出，内生安全理论解决了网络安全无法量化设计、不能量化评估的世界性难题，让大家对网络安全性能“心中有底”。以内生安全技术为独特禀赋的6G，将直面智能化时代“三重安全风险”，以高可信、高可靠、高可用的创新思路冲破壁垒，为全球网络空间互联互通、共享共治贡献中国智慧和中国方案。
《光明日报》（ 2022年11月10日 10版）
