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• 氣凝膠是由空氣形成的凝膠，它的3D立體結構中充滿了密集且大量的奈米級孔洞，最多可高達99.9％由空氣組成。
• 第一個人造氣凝膠由美國科學家基斯特勒製造，他透過超臨界乾燥法將二氧化矽、明膠等液體凝膠乾燥而得到氣凝膠。
• 由於空氣是熱的不良導體，充滿空氣的氣凝膠便成為隔熱材料的最佳選擇。此外，它也能如超級海綿般，吸附海洋的浮油以淨化海洋水質。

 
美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）用於探測火星表面的六輪機器人「毅力號」（Perseverance），通過火星氧氣原位資源利用實驗（Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, MOXIE），成功將火星表面稀薄的氣體（96％是二氧化碳）轉化為氧氣。MOXIE的成功經驗將使得火星表面的氧氣製造更加經濟和實用，有利於供應燃燒火箭的推進劑。

 
MOXIE將氧原子從二氧化碳分子中分離，剩餘的一氧化碳則被會排放到火星大氣中。由於轉換過程的溫度高達800℃，因此MOXIE需要採用隔熱材料製成，包括外層薄薄的黃金塗層，以反射紅外線並防止輻射；內部則具有可加熱和冷卻氣體的3D列印鎳合金零件，以及有助於隔熱保溫的「氣凝膠」（aerogel）。

氣凝膠的製造

氣凝膠顧名思義是由空氣形成的凝膠，不過要如何將空氣凝結收集呢？好像有點不可思議，而且生活中似乎不曾見過。但想必大家都曾經聽過「水凝膠」（hydrogel），例如果凍就是一種充滿液體且內部含水量可達99％的3D立體結構水凝膠。試想一下，若是能將果凍內的液體抽乾而使空氣充滿其中，是否就能成為氣凝膠？雖然乾燥一塊果凍聽起來並不難，但在乾燥水凝膠的過程中，液體分子氣化離開表面時會因為表面張力與毛細作用，使得原有的3D立體結構收縮且崩壞。此時的水凝膠看起來就類似於將水果乾燥後變成皺皺的蜜餞一樣，無法保留原有的結構形態。

第一個人造氣凝膠由科學家基斯特勒（Samuel Kistler）在1931年發表於《自然》（Nature）期刊，他成功使用二氧化矽（silicon dioxide）、明膠等液體凝膠，透過超臨界乾燥法（supercritical drying）將凝膠乾燥而得到氣凝膠。大家所熟知的物質三相變化是由溫度與壓力控制，但是在超過臨界溫度及臨界壓力以上，物質將轉變為均勻的超臨界流體，且不存在表面張力。透過超臨界乾燥法便能夠乾燥樣品又不引起表面張力，可將液體緩慢抽出又不至於讓凝膠內部的網狀結構因毛細作用而崩塌，因此將氣體取代液體在凝膠中的位置，製造出氣凝膠。有趣的是，氣凝膠的發明正來自基斯特勒與他的同事勒尼德（Charles Learned）彼此打賭，看看誰能成功將果凍的液體抽乾卻又不會破壞結構。
 
氣凝膠可透過溶膠－凝膠（sol-gel）製程並添加不同離子，且使用具有化學活性的化合物作為前驅物，在液相環境將反應物及前驅物均勻分散；再透過溫度、濃度、pH值等環境參數控制，使溶液逐漸形成溶膠體系，而膠體顆粒會逐漸聚集並形成聚合結構，變為三維的凝膠架構。例如將前驅物矽酸四乙酯（tetraethyl silicate）配置成溶液後，於強酸性或強鹼性環境皆具有高度水解的性質，在催化劑的作用下可進行水解（hydrolysis）與聚縮合（polycondensation）反應。
 
水解反應是由於矽酸四乙酯溶於不同pH值的水溶液時，它的烷氧基能與水的氫氧基反應而轉變成Si(OH)_n(OR)_4-n。聚縮合反應則包含兩種形式：水縮合（water condensation）及醇縮合（alcohol condensation），分別脫出水或醇（表一），接著溶膠會產生凝膠化，單體聚合成微粒後成長並形成三維的奈米級二氧化矽顆粒。於酸性溶液中，若將pH提升至接近中性時，將降低水解及聚縮合速率，待pH值提升至弱鹼性時聚縮合速率將大幅提升，因此透過水解與聚縮合速率的競爭，將可有效調控氣凝膠的結構尺寸。此外，網狀結構大約是由尺寸2～5奈米（nm）的球形粒子互相結合成小單元，再組合成三維網狀的立體結構，其中包含大量的孔洞，而孔洞尺寸、聚集密度、平均大小，皆能夠藉由製程加以控制。

氣凝膠為什麼能製成最輕的隔熱材料？

由於超臨界乾燥法可完整地保留氣凝膠的3D立體結構，並使結構中充滿密集且大量的奈米級孔洞，因此氣凝膠的孔隙率可高達約99.9％，也就是99.9％都是由空氣組成，因此又被稱為「凍煙」（frozen smoke）。可想而知氣凝膠的密度極小，若拿一塊相同大小的海綿與氣凝膠相比，氣凝膠可說是真正的「輕如鴻毛」。也因為空氣是熱的不良導體，像是銅的導熱率約400W/m．K，空氣的導熱率卻僅有0.026W/m．K，所以充滿空氣的氣凝膠能夠大大阻絕熱傳導。再加上氣凝膠結構中的奈米級孔洞，能有效地把空氣困在氣凝膠中不形成對流，因此具有超高孔隙率的氣凝膠也就成為隔熱材料的最佳選擇。若將一朵花放在火焰上，瞬間就化為灰燼，但只要加上一層氣凝膠的保護，花朵將仍然能保持嬌豔欲滴，絲毫不受到火焰的影響。
 
依據臺灣《建築技術規則》規定，防火材料可分為不燃材料、耐火板、耐燃材料三種，最高等級的「不燃材料」不會因為火熱而引起燃燒、熔化、破裂與變形和產生有害氣體，常見有混凝土、空心磚、鋼鐵、玻璃纖維等。99.9％都由空氣組成的氣凝膠完美符合最高等級防火材料的要求，再加上它輕如鴻毛的特性，相較於一般防火隔熱材料具有更大的市場潛力，還可以應用於汽車或飛機的阻燃坐墊或是防火內襯，達到整體輕量化又能延緩火勢，且避免釋放濃煙與有害氣體對乘客造成安全危害。

氣凝膠的未來應用

除了可以隔熱防火之外，氣凝膠還有其他許多功能，例如它具有大量且密集的孔隙，就像是個超級海綿般有極大的表面積與超高的吸收性，可以吸附海洋的浮油以淨化海洋水質。當海洋上的貨輪船隻發生石油洩漏，除了破壞海洋生態之外，氣流的吹拂還會將汙染物推向內陸，使浮油附著於溼地植物表面，也使人類暴露在有害物質的環境中。臺灣是四面環海的海島國家，海洋更是臺灣最重要的生態資源，因此也有一些研究團隊透過氣凝膠的開發，進行海域溢油汙染的防制工作。他們採用矽酸鈉（sodium metasilicate）作為原料合成二氧化矽氣凝膠，再加上三聚氰胺（melamine）海綿做為複合強化的油汙吸附材料。矽酸鈉俗稱「水玻璃」，常見於除溼乾燥劑中，經過陽離子交換後得到矽酸水溶液，透過凝膠化與老化的處理，浸泡於異丙醇（isopropanol）與正己烷（hexane）溶液進行溶劑置換後，再使用高溫處理就可以獲得氣凝膠。相較於過去使用的超臨界乾燥法，此方法更簡便、成本更低廉，也能大幅提升氣凝膠未來的商業應用價值。
 
既然氣凝膠是如此多功能的科技新產品，是否有機會在市面上看到，甚至買回家使用呢？目前已有臺灣團隊著手研發常壓乾燥法製備氣凝膠，取代傳統高成本超臨界乾燥法與表面修飾的步驟，而採用工業級原料與改善製程以提高生產效率。以此方法製造不但成本低廉、製程時間短，也已取得多國專利並募資擴大生產規模。此外，這款氣凝膠也獲得第16、17屆國家新創獎，正是臺灣自行開發氣凝膠並具備市場優勢的好證明。期待在不久的將來，氣凝膠也能進入我們的日常生活中，成為隔熱防火的好幫手！
 
延伸閱讀
1. NASA. (April 21 2021). NASA's Perseverance Mars Rover Extracts First Oxygen from Red Planet. https://go.nasa.gov/48kXTxU
2. 國立高雄科技大學海洋科技發展處（2022年11月28日）。二氧化矽氣凝膠三聚氰胺海綿複合材料製備及其於海域溢油污染防制的應用研究。YouTube，https://bit.ly/3RLGZRW。