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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）

孕育中国美的课堂******

　　外形仿如巨龙的国家雪车雪橇中心“雪游龙” 资料图片

　　中国哲学文化海报系列之天地人和 胡书灵/资料图片

　　天津独乐寺观音阁手作构造 施晴/资料图片

　　止水 高与浓/资料图片

　　高架桥下模块化立体停车场设计 杜鹤蒞/资料图片

　　2016年G20杭州峰会会标设计 资料图片

　　【学人谈】

　　美术教育以美学知识和技能的培养为基础，其主要目的是延续和发展美术知识与技巧，满足公众精神和文化的需要。艺术设计是兼顾了美术和设计的实用艺术，在设计学中，艺术设计教育是融审美趣味、功能原理、科学技术以及创新能力培养于一身的知识体系。艺术设计教育培养的是各行各业服务于国家战略、经济发展、百姓生活的实用型设计人才，作为美育的延展，它的成果不仅反映了教育的质量，也能够反映出社会经济、人民生活和科技文化的发展水平。因此，高校对于艺术设计人才的培养不容忽视。

　　在高校艺术设计课堂上，优秀艺术设计人才培养应扎根于以文化创造美，以道德培育美，以社会创新推动美，让艺术设计的高等教育助力推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变。

　　以文为美，厚植文化教育

　　选择艺术设计专业的高考生源一般都具有较扎实的美术基础，艺术设计类高校也会更加注重美术技能的训练和设计能力的培养。但技术终究只是表达美的手段，文化才是创造美的核心。高校的艺术设计教育要引导学生领悟中华文化内涵，把握时代特征，学会将民族文化与民族精神进行视觉化、形象化呈现。

　　鲁迅美术学院教师在一年级的“设计创意思维”课堂上对于中国历史和中国哲学进行重点讲授，以丰富的设计案例引导学生了解如何用设计语言讲好中国故事，展现中国形象。如2008年北京奥运会视觉形象设计、2010年上海世博会中国国家馆设计、2016年G20杭州峰会会标设计、2022年北京冬奥会形象及景观设计等，这些案例运用“中国印”“斗冠”“中国桥”“大熊猫”“中国龙”等符号或元素，为我们在课堂上启发学生领悟中国设计的文化内涵提供了示范。

　　在教学和创作中，教师的作品也可以为学生提供启发。如笔者的设计作品《中国哲学文化海报系列之天地人和》，体现了一种运用抽象语言表达中国传统哲学观念的方式：“天地人和”即天时、地利、人和，圆形代表“天圆”，多组方型线框代表“地域之方”，三角图形则象征向内聚合的人气，对称构图和沉稳的红色均传递出中华传统美学的深厚底蕴。

　　以德育美，培养责任担当

　　青年学子要涵养正气之德，要想国家之所想、急国家之所急、应国家之所需。当下，各行各业不仅要延续“中国制造”优势，还要奋力向中国创造、中国质量、中国品牌转变。在艺术设计课堂上，我们通过“品牌设计”的教学实践，带领学生参与民族品牌的设计合作。例如在“海娃渔获”餐饮企业VI设计中，方案采用正负形的形式，标识形象如“龙行踏绛气”，既表现了产业属性，也寓意了品牌的地位；包装设计采用黑金配色，体现出系列产品的高雅格调。通过这类实践活动，学生们真正懂得了如何将中国传统文化与现代国际化视觉语言相结合，并且在设计实践中体会到与民族品牌共同成长的获得感与成就感。

　　作为未来的设计师，艺术设计专业的学生是美育的受益者，也是美育的传播者。优秀的艺术设计人才要以美启智，以德育美，要有扎实钻研和精益求精的精神，不能一味地彰显个性而哗众取宠。对于艺术设计教育而言，传承工匠精神是重要的德育途径，为此我们在课堂上引入“中国大师”系列故事，用先贤的思想和品格启发学生。如在“建筑构造”课程中，向学生们讲述建筑大家梁思成的学术思想和人生追求，引导学生在作品中深入挖掘中华民族精神和地域特色。在课后作业《天津独乐寺观音阁手作构造》中，学生完成了对优秀中国古典建筑的深入分析和再造，通过学习、理解和搭建，深刻领悟中国古典建筑所蕴含的工匠精神，用自己的双手再现中国建筑之美。

　　以创新推动美，助力社会发展

　　创新思维是艺术设计的源头活水。在艺术设计领域内实现传统文化的创造性转化、创新性发展，是在具备扎实的文化和技术基础上，通过与人与社会的衔接而得以真正实现的。在指导毕业设计的课堂上，我们鼓励学生关注社会热点、思考社会现象，为解决社会发展问题提供助力，强调设计选题体现社会价值，积极践行创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念。建筑设计作品《止水》，便是基于对隐匿性抑郁症患者康复空间的关注，提出城市康健中心的创新设计。水天之间，建筑与自然环境融合共生，营造出一方令人内心宁静的休憩场所。又如设计作品《高架桥下模块化立体停车场设计》，在对城市道路空间的再利用进行深入思考后，设计者提出对高架桥下的闲置空间加以改造，这一设计可以充分提升城市道路空间的利用率，为城市的发展规划提供了有益的思路。

　　以设计解决问题、以设计助推发展，我们在课堂上引导学生持续关注艺术设计与人、与社会、与环境之间的关系，以文化创造美，以道德培育美，以社会创新推动美——只有这样，才能真正做到与时俱进，做出百姓喜闻乐见的产品和设计。而这，也是激发艺术设计人才前瞻力、创造力的根本。

　　（作者：胡书灵，系鲁迅美术学院副教授；杜鹤蒞，系鲁迅美术学院讲师）

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）