借助激光测试金以及多种金属气凝胶，探索低密度、高纯度和孔径几何形状可控性的极限，未来科学研究和工业材料领域或将迎来“重量级人物”。

金，是一种致密但柔软的金属，可不仅仅是制作珠宝的原材料。作为一种化学反应性最低、延展性最强的贵金属，具备高导电性，已成为电子、医药和科学研究领域的理想材料。

在过去的十年里，LLNL材料工程师一直致力于在纳米尺度上进行材料学研究工作。他们研究了一种产生新兴的金属气凝胶（metal aerogels, MA,是一种轻质、低密度、超多孔但耐用的材料)的独特技术，这一研究发现为更广泛的科学研究和未来工业应用带来了巨大的进步。这一研究小组赋予了黄金一种新的形象，让其“变身”成比空气还轻的气凝胶“泡沫”。

LLNL科学家已经制造出了密度低得令人难以置信的金气凝胶，这种气凝胶具有称为纳米线的坚固的意大利面条状的线，在整个材料中形成一个晶格。每根纳米线大约比人的头发丝儿还细一千倍

气凝胶位居十大新材料之首

这种材料只比等量空气的重量要重一点点，但是却能抵抗1400摄氏度的高温，这比大多数金属熔点都要高，全世界的科学家都为它的这些独特性能所吸引，它的名字就是气凝胶。

一定浓度的高分子溶液或溶胶在特定的条件下，粘度就会逐渐增加，最后会失去液态的流动性，整个形态就会变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体，而这种弹性半固体就被称为凝胶。

像我们小时候都喜欢吃的果冻就是常见的一种凝胶，这种凝胶是依靠水和其它液态充满内部后形成的，而在凝胶中充满气体就会变成另一种凝胶，这就是气凝胶。

气凝胶是世界上最轻的固体材料，这也被列入了基尼斯世界纪录，因其颜色呈现出淡蓝色，因此也被称为“蓝烟”，也有人将其称为“固体空气”。

在阳光的照射下气凝胶几乎透明，重量也非常的轻，气凝胶内部99.8%的是空气，而密度只有同样原材料是二氧化硅玻璃的千分之一，这些很轻的气凝胶只要一抽掉空气密度甚至就会比空气还低。

气凝胶是一种内部有很多空隙的固态物质，里面充满了空气，把它拿在手上看上去就像凝固的烟，非常轻盈，这种材料看起来脆弱不堪，但其实非常的坚固牢靠，气凝胶可以承受超过自身重量1000倍的压力。

气凝胶具有纳米级的孔隙，这使得不管是冷空气还是热空气都很难穿透它们，是目前热导率最低的固体材料，因此气凝胶也被用作设备的隔热。

纳米化学反应器

研究人员已经开发了镍、钴、铜和银的实验性金属气凝胶，以引发、促进和加速化学反应，还可用于过滤。凭借其高机械刚性，当酶和其他蛋白质与其他生物分子反应时，它们还可以作为嵌入其微米级孔中的酶和其他蛋白质的微观支撑结构。

随着科学家们意识到这些气凝胶金属的优秀特性以及其对应用研究的显著作用，各地的研究人员一直在不断探索、竞相寻找一种高效、廉价的方法来大量生产气凝胶，努力寻求多种途径控制它们的纳米结构、表面积和孔径。

为了制造第一批气凝胶，研究人员一开始使用了“溶胶-凝胶”（ “sol-gel” chemistry）——一种通过将分子前体转化为连接在一起的纳米颗粒，形成类似意大利面条的三维液体填充网络，从胶体悬浮液中合成固体的化学过程。冻干可将液体除去，留下一种多孔的低密度气凝胶，看起来非常像不新鲜的棉花糖。

然而，溶胶-凝胶法并没有产生研究人员所需要的坚固、高质量的超轻单体。他们必须探索全新的方法。

探索之路

2016年，由材料科学家Fang Qian领导的实验室团队报告了一种生长、纯化铜纳米线的简单方法。研究的问题是如何大规模纯化这些材料来制造纳米泡沫。

作为金属气凝胶的组成部分，纳米线需要大批量生产。纳米线通常约为20至30微米长，直径仅为20至30纳米，大约比一缕头发细一千倍。随着纯度和数量之谜被解开，另一个劳伦斯·利弗莫尔团队在同一年开发了一种形成低密度铜纳米泡沫的方法。2018年，一实验室团队宣布开发一种制造超低密度(小于10毫克/立方厘米)银气凝胶的方法。

然而，黄金是最难制成超轻气凝胶的贵金属。通过汇集LLNL跨学科团队，凝聚了冷冻物理、有机和无机化学、表面科学和纳米材料表征等多方面的专家，超轻金气凝胶才最终得以实现。该团队开创性地将化学技术与工业冻干和冷冻铸造技术相结合。虽然金泡沫以前就已经被制造出来过，但远没有低密度、高纯度和孔径几何形状可控性，这也正是研究独一无二之所在！

一个金气凝胶的样本悬挂在一根蜘蛛丝上，显示出它异常低的质量。

该方法首先将带负电的金纳米粒子AuNPs和带正电的硅片浸入溶液中。硅片的正电荷吸引纳米粒子，纳米粒子得以均匀地覆盖在硅片表面，形成晶点。然后，AuNP原子仅沉积在晶点位置，大致垂直于晶片，生长成长度和直径相同的纳米线。然后，研究人员使用超声波或声波将金纳米线从晶片上分离下来。

结果发现了一种充满金纳米线的黑色液体。然后，研究人员使用液氮冷冻金纳米线悬浮液。Qian说：“随着冷冻开始，冰晶逐渐形成并扩大，最终将纳米线推入孔网络，形成高度均匀的孔结构。随着溶液在冻干阶段蒸发或升华，它留下了一个自支撑的金纳米线网络，也就形成了气凝胶。”

通过改变悬浮液中纳米线的浓度，可以微调或定制设计金气凝胶的密度。在6毫克/立方厘米到23毫克/立方厘米的密度范围内，我们已经实现了这种微调。冻结速度的快慢决定了孔隙大小，越快则孔隙越小。为了控制孔径，该团队可谓“苦心孤诣”，借助多种工具改变了冻结的速度。他们还可以改变溶剂液体，并添加“赋形剂”（赋形剂 ）非活性物质——这些物质可以改变溶剂的冻结特性，并且不会成为气凝胶的一部分，因此气凝胶的纯度仍然可以保证处于很高的水平。向悬浮液中加入一种叫做叔丁醇的赋形剂，可以产生尺寸均匀的小得多的冰晶。

如空气般轻盈

相对于全密度金(19.32克/立方厘米)而言，该团队获得的最低金泡沫密度为6毫克/立方厘米。泡沫的原子密度为1.8 × 1019原子/cm3，低于室温和大气压下空气的原子密度(2.7 × 1019原子/cm3)。Bagge-Hansen说: “在如此低的密度下生产毫米级的金气凝胶是完全出乎意料的，这凸显了冷冻铸造金属纳米线解决方案或有更多可能。最终的产品看起来一点也不像有光泽的黄金，因为当黄金颗粒的尺寸接近纳米级时，它的物理性质会发生变质。”

“金纳米粒子溶液随着纳米粒子的尺寸和长宽比的变化，从紫色变成绿色再变成红色，”纳米线具有独特的结构，可以改变其光散射特性，最终使气凝胶呈现黑色。"

悬浮在水基溶液中的纳米线生成的金气凝胶的不同放大倍数的电子显微镜图像。金气凝胶是在水和叔丁醇的混合物中生成的(最上面一排)。它显示出比没有tBA生长的那些更均匀的孔径(底部)。

LLNL拥有世界上最大的高功率激光器

随着黄金气凝胶制造工艺的建立，该团队花了几个月的时间与国家点火设施(National Ignition Facility，NIF)的靶制造科学家合作，校准和测试存储、运输和成功将气凝胶安装在NIF靶上的协议。当NIF的高功率激光束击中材料时，气凝胶蒸发并产生特定能量的x射线，这对研究高能量密度物理和检验凝聚态物理、核物理、天体物理和等离子体物理等很有用。

实验室的研究人员最初开发这些超低密度金属泡沫，是为了给物理学家提供更好的X射线源，用于支持NIFStockpile Stewardship任务（该计划是为了在不进行全面测试的前提下保持美国核威慑力量的可靠性、安全性和安全性）。

在研究的过程中并非一帆风顺，超轻金气凝胶的初始样品会随着最轻微的呼吸或气流的变化而散开或飘散，这就给研究工作带来了不小的挑战。最终，研究小组确定了制造一种气凝胶的方法——当激光脉冲击中目标靶时，气凝胶会留在上面。

这些金泡沫具有机械稳定性，相比之下，早期样品的强度类似于长烟灰，‘把握不住’”。而后期的样品在挤压或掉落的情况下，它们会反弹回来并很好地保持形状，而这正是用作明亮的x射线源的关键特性。他们看起来很坚固，但是它们99.9%是空的，仅有0.1%是实心的。

现在，研究小组已经将他们的重点转向开发将任何金属转化为气凝胶的新方法。谈及此，Bagge-Hansen说：“我们研究锡（tin）已经有一段时间了，将锡制成纳米线和气凝胶是一项巨大的挑战。它的化学性质与金截然不同。随着我们从锡进入周期表的其他过渡金属，这一过程将更加困难。未来该团队将扩大合作以进一步探索金属气凝胶的工业用途。尽管这些微小的金属块并不坚固，但它们将成为未来科学研究和工业材料领域真正的重量级人物。

文章来源： 江苏激光产业创新联盟，制造原理