学过化学的朋友，对 pH 值 这个概念一定很熟悉！无论是溶液酸碱度还是人体酸碱平衡，pH 的应用无处不在！今天，我们就来聊聊 pH 值的来源和背后的趣味故事！ 什么是 pH？为什么它重要？ pH 值 是衡量溶液酸碱性的指标： 人体酸碱平衡 人体正常 pH 范围应在 7.0 ~ 7.4，维持这个范围对健康至关重要！ 但关于「p」的来源，化学界却有许多不同的说法，以下是几种主要观点： 1、德语或法语中的「力度、强度」 2、拉丁文「氢的量或能力」 3、索伦森的「随机选择」 为什么「p」是小写？ 这是化学界的一个习惯： 所以，「p」小写是为了与「H」（氢离子）大写区分，让公式更清晰易懂！ pH 是什么的缩写？ 虽然「p」的来源仍有争议，但目前化学界普遍接受的解释是： 这个简单的符号，其实凝聚了科学家们对自然规律的深刻探索！
陶瓷气凝胶因其优越的性能，如超低密度、大比表面积、低导热率和高化学/热稳定性，已成为最具吸引力的材料家族之一，在隔热、阻燃、催化框架、传感、能量存储、辐射冷却和吸收/过滤等领域展现出良好的前景。在设计具有所需功能的陶瓷气凝胶时，一个重要的性能指标是其机械性能，即在防止环境因素（例如机械应力、热梯度和毛细管力）引起的结构损坏方面具有出色的变形能力。然而，与聚合物或生物质材料不同，陶瓷材料，特别是超轻陶瓷气凝胶，由于其固有的脆性，很容易遭受断裂损坏。因此，机械性能通常是陶瓷气凝胶实际应用的关键障碍。迄今为止的研究表明，通过组件设计和结构工程可以显着提高陶瓷气凝胶的机械性能。先前提高机械性能的努力通常集中在具有一维或二维构建块的陶瓷气凝胶的设计上。迄今为止，陶瓷气凝胶的可压缩性已得到很好的增强，可以与聚合物泡沫相媲美。然而，由于构件之间相对较弱的连接模式，例如纳米纤维的物理缠结和纳米片的π-π堆叠，陶瓷气凝胶仍然表现出非常低的韧性，在受到拉力时会出现严重的结构损坏甚至断裂。 近日，哈尔滨工业大学徐翔教授团队受爬山虎卷须的启发，我们报告了一种由高度弯曲纳米纤维构建的超可拉伸陶瓷气凝胶的设计和合成。纳米纤维的屈曲是通过双组分离轴静电纺丝方法通过不对称变形形成的。所得气凝胶具有超大拉伸性，拉伸应变高达150%，以及高恢复性，拉伸应变高达80%。它们还表现出接近零的泊松比 (4.3 × 10−2) 和接近零的热膨胀系数 (2.6 × 10−7摄氏度)，从而具有出色的热机械稳定性。受益于这种超拉伸性，气凝胶表现出独特的拉伸不敏感隔热性能，在 1000 °C 时热导率仅保持约 106.7 mW m−1 K−1。这项工作促进了陶瓷气凝胶的发展，以在极端条件下实现坚固的隔热性能，并在可拉伸气凝胶的结构设计中为广泛的应用建立了一系列基本考虑因素。相关成果以“Highly‐Buckled Nanofibrous Ceramic Aerogels with Ultra‐Large Stretchability and Tensile‐Insensitive Thermal Insulation”为题，发表在《Advanced Materials》(期刊号：Adv. Mater. 2024, 2415159 IF=27.4)上。 原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202415159 结论 我们共同证明，基于高屈曲纳米纤维的陶瓷气凝胶的仿生设计和合成可产生高达 150% 拉伸应变的超大拉伸性和拉伸不敏感的隔热性能。接近零的泊松比和接近零的热膨胀系数赋予气凝胶优异的热机械稳定性。所得材料具有卓越的拉伸变形性、热机械稳定性和高温隔热性能的独特组合，超出了典型陶瓷气凝胶的范围，从而定义了一种在极端条件下（例如空气/空气）下具有吸引力的隔热材料系统。航天器、月球/火星基地、锂电池、工业炉和太空/消防服。此外，这种超拉伸气凝胶还为柔性电子产品、电池、过滤器、传感器和机器人的热管理提供了机会。
研究背景与目的 材料与方法 实验与表征 结果与讨论 应用前景 异质结构MXene@Ni电磁功能填料的制备 (MXene@Ni/PNF)–(MXene/PNF)气凝胶的制备
2024年11月30日，超微结构与超快过程湖南省重点实验室、纳米光子学与器件湖南省重点实验室2024年度学术委员会联合会议在中南大学物理学院顺利举行。中国科学院院士黄维教授，新加坡工程院院士洪明辉教授，中国药科大学原校党委书记徐慧教授，中南大学原副校长周科朝教授，学校党委常委、副校长何军教授等国内外知名专家学者30余人参会指导，物理学院院党委书记谢群、院长孙克辉等学院领导班子成员，省重点实验室师生代表共计200余人参加。会议包括学术委员会研讨会、“名师名家讲坛”专家讲座、学生学术年会等活动。 11月30日上午，何军副校长主持了学术委员会研讨会。在开幕式上，中南大学原副校长周科朝和孙克辉院长分别致欢迎词。按照议程，阳军亮副院长介绍了学院一年来在专业建设、学科发展、教学科研平台及师资队伍建设等方面的情况。超微结构与超快过程省重点实验室主任袁永波教授、纳米光子学与器件省重点实验室副主任肖思教授、微纳加工与器件制造平台主任袁小明教授就重点实验室和平台在本年度成效进行介绍。郭爱敏、卢宇、银恺、袁永波四位教师作代表性学术成果汇报。 与会专家对物理学院省重点实验室的工作成绩进行了点评，同时就凝练实验室特色研究方向、建立跨学科合作创新、主动对接国家重大需求、提升国家级重大重点项目承担能力、持续推进师资人才队伍建设等方面提出了宝贵意见建议。座谈会结束后，学术委员会副主任周科朝教授代表参会专家作总结发言。 11月30日下午，钟建新教授、韩秀峰教授、潘安练教授等专家为师生做专题讲座。讲座内容涵盖低维凝聚态理论、磁子材料与器件、硅基Micro-LED等领域的重要进展与发展前景。讲座结束后，专家与在场近200名师生进行了长达一个小时的交流讨论，现场气氛热烈。 会议期间，200余名学生踊跃参与了学生学术年会，作学术报告的学生由会上部分优秀本科生和硕士生、博士生代表做相关学术专题报告。报告内容涵盖材料表界面研究、新型能量材料与器件、非线性光学、量子信息、模拟计算、复杂系统建模等方向。教师评委对每位学生的报告进行打分和点评。 本次会议为期三天，总结了省重点实验室在材料表界面物理、超快过程、量子信息、纳米光子学与器件等研究领域的发展，研讨和凝练了实验室未来建设规划，深化了知名学者与在院师生间的学术交流，推进了拔尖创新人才的培养。在学术委员会专家的指导帮助下，两所省重点实验室将再接再厉，为学院和学校的建设与发展做出新贡献。
水凝胶是柔软湿润的，而气凝胶是轻盈干燥的。一个富含水分，一个几乎全是空气。但你可能不知道，气凝胶可以由水凝胶“脱胎”而来。通过干燥过程，原本浸润在水中的三维网络得以保留，同时去除了液体，留下了极端多孔的结构。 听起来是“把水挤出去，结构保留下来”的简单过程，实际上却充满挑战。干燥过程中，水分去除方式、孔壁受力情况、热流扰动，都会影响材料最终的结构完整性与传质特性。这是一场热、质与力学耦合的演变过程。 一、水凝胶的网络为何难以“干而不塌”？ 水凝胶由亲水性高分子链交联形成三维网络，其中含有大量自由水和束缚水。这些水不仅起填充作用，还稳定网络结构、维持凝胶形态。 在干燥过程中，尤其是常规空气干燥下： 这种因表面张力引起的网络崩塌是导致传统干燥方法难以制备气凝胶的关键障碍。 二、干燥方式如何影响结构演变？ 为了实现“从水凝胶到气凝胶”的平稳过渡，研究者发展出多种干燥策略： 1. 常压干燥（Ambient drying） 直接在空气中蒸发水分，操作简单但收缩严重，形成干凝胶（xerogel），孔隙率低，力学性强但隔热差。 2. 冷冻干燥（Freeze drying） 将水快速冻结成冰后升华。可保留部分大孔结构，但容易形成冰晶损伤，细孔结构不稳定，常用于生物材料或药物载体中。 3. 超临界干燥（Supercritical drying） 将水或溶剂置于超临界条件，使其不经历气-液界面蒸发过程，从而避免毛细收缩，是制备高质量气凝胶的主流方法。结构保留度高，孔隙率高达90%以上。 不同干燥路径下，热量输入方式、水分迁移速度、结构收缩时间点不同，决定了最终凝胶的微观结构与性能。 三、热与质如何在干燥中协同演变？ 干燥是一个典型的非稳态热质耦合过程。主要涉及以下几个关键机制： 当干燥不均或热流失控时，容易出现表层硬壳 + 内部塌陷结构，导致最终形成裂纹、非均匀孔结构，严重影响材料性能。 四、从水到气，功能也在悄然切换 干燥不仅是结构演变过程，更是材料功能重构的关键阶段： 因此，干燥不仅改变了材料的“态”，也赋予了其截然不同的功能使命。 五、崩塌与重构之间，创新正发生 为了克服结构崩塌、功能失稳等问题，研究者提出多种创新路径： 从水凝胶到干凝胶，再到真正的气凝胶，不再是“水变没了”的简单过程，而是一场由热流、水汽、聚合物链共同协奏的材料进化之旅。
湿气，从来不是一种“中性”的存在。对于多孔材料而言，它是一种介于水蒸气与液态水之间的“隐藏状态”，一旦进入材料内部孔隙结构，就可能引发传热性能下降、结构崩塌、功能失效等连锁反应。气凝胶和水凝胶作为两种代表性的多孔凝胶体系，对湿气的响应行为截然不同，但也都面临“冷凝”这一传热传质共同挑战。 本篇将聚焦湿气入侵、多孔冷凝现象与两种材料的结构应对机制，深入解析湿气如何改变凝胶世界中的热与质迁移路径。 一、湿气是怎样进入多孔材料的？ 空气中的水汽以气态分子形式存在，但当湿度升高、温度降低、材料孔径狭窄时，水分子可能： 在孔壁吸附，形成单层或多层水膜； 在纳米孔中发生毛细冷凝； 与表面官能团形成氢键束缚水； 逐步积聚成液态水桥，连接孔壁与骨架。 这一过程不仅是传质行为，更影响了热传递机制，是典型的热-质-结构耦合现象。 二、气凝胶遇湿：从“绝热体”变成“热导桥” 气凝胶之所以具备极低热导率，是因为其孔隙中主要充满气体，且孔径极小（一般在几十纳米），限制了气体导热与对流。 然而，当湿气进入气凝胶内部，尤其在潮湿高温环境下发生冷凝，会引发以下变化： 1. 气体被液态水替代，水的热导率远高于空气，使得气孔变成“热桥”； 2. 毛细水桥形成连续热通道，原本被打断的热传路径重新连接； 3. 红外散射特性被破坏，湿润的表面降低了红外反射，辐射隔热性能下降； 4. 多次冷凝—蒸发循环可能导致气凝胶骨架疲劳、孔隙结构崩塌。 湿气在气凝胶中不但提高了热导率，还可能导致其长期稳定性受损，成为限制其在湿热环境中应用的关键因素。 三、水凝胶遇湿：是强化，还是溢出？ 与气凝胶不同，水凝胶天生“亲水”，内部充满大量水分，是一种处于近饱和含水状态的材料。 当外部湿度升高，空气中的水汽渗入水凝胶中，常见反应有： 吸附增强：自由水分子进一步进入凝胶孔道，使凝胶轻微膨胀； 体积增大：网络扩张引起体积变化，可能用于触发响应； 水分迁移阻滞：外界湿气抑制内部水分蒸发，延缓降温或缓释行为； 表面冷凝：在低温条件下，湿气在凝胶表面凝结，改变热流边界条件。 水凝胶本身是“热质传输活跃”的材料，但一旦表面形成水膜或冷凝水，可能反而阻碍其原本良好的蒸发冷却机制，降低热管理性能。 四、冷凝控制策略：两类材料如何“应对湿气” 气凝胶为抵御湿气入侵，通常采取以下策略： 疏水改性：通过表面硅烷、氟化处理降低亲水性； 微结构调节：优化孔径分布，减小毛细冷凝发生概率； 复合防水膜层：外部包覆致密涂层，隔离水汽渗入； 空腔封装：用于电池或航天等系统中，常通过密封方式避免与湿气直接接触。 而水凝胶更多采取动态调控与自我调节方式： 表面构型设计：仿叶片、鱼鳞结构引导水滴脱附； 水汽通量调控：利用可控蒸发或亲疏水梯度调节水分进出速率； 智能响应材料：引入温敏、湿敏网络，实现“自关断”或“自开启”传质通道； 结构增强防溢出：在防止吸湿膨胀导致液体渗出的同时，保留凝胶的柔性与导热性。 五、多孔冷凝是挑战，也是设计机遇 湿气冷凝曾被视为多孔材料性能的“劫难”，但越来越多的新研究正将其转化为主动调控手段。 例如： 在气凝胶中引入限湿微孔+相变材料，利用水汽冷凝潜热做被动降温； 在水凝胶中构建可控冷凝界面，实现自动收水与释热机制； 发展气-水双重路径协同调控结构，融合导热、控湿、气体扩散于一体。 湿气不再只是入侵者，也可以被“驯服”为功能触发器。
你是否曾注意到，单靠清水很难洗掉盘子上的油渍，但加入一点洗洁精，油就仿佛“自动瓦解”？或者你是否知道，炸药中的乳化结构也离不开某种神秘分子的调和？这些现象背后的主角，正是一个非常重要但常被忽视的化学角色——表面活性剂（surfactant）。 本文将从日常清洁讲起，深入探讨表面活性剂的作用机制、结构特点，以及它在工业和安全领域中的“化学手腕”。 一、什么是表面活性剂？ 表面活性剂是一类能够显著降低液体表面张力或界面张力的有机化合物。它们具有独特的“两性结构”：一端是亲水基团（如羧基、磺酸盐、醇基），一端是疏水或亲油的烃链。正因为这种“两头通吃”的结构，它们能够在水与油、水与空气等界面上“安顿下来”，调节分子间的不兼容性。 可以将表面活性剂想象成界面上的“外交官”：亲水一头和水打交道，疏水一头拉拢油分子，从而使原本水火不容的两相得以共存。 二、清洁中的魔法：油污为什么会“溶”进水里？ 油脂类物质不溶于水，这是因为水分子之间的氢键相互作用非常强，而油分子主要通过疏水作用聚在一起，彼此排斥。加水搅拌时，水和油会分层，这是因为两相之间的界面张力很高，彼此难以混合。 但加入表面活性剂后，情形就变了： 表面活性剂分子迅速排列在油水界面上； 疏水链深入油相，亲水头朝向水相； 这样一来，界面张力降低，油滴更容易被剪切、分散； 最终，油脂以微小乳滴（emulsion droplets）形式悬浮在水中，形成乳浊液。 这便是洗洁精除油的原理。 三、胶束结构：分子“结队”而行的方式 在一定浓度以上（称为临界胶束浓度 CMC），表面活性剂分子不再只停留在界面上，而是开始在水中自组装，形成胶束（micelles）结构。其特征是： 疏水尾部聚集在中心； 亲水头部朝外，稳定与水相接触； 类似“海胆”或“泡泡球”的球形结构。 油污被“包裹”进胶束内部，相当于被困在一个微型“化学囚笼”中，随着水流被带走。这种结构是清洁、乳化、溶解非极性物质的重要机制。 四、工业与危险场景中的“界面操控术” 表面活性剂并不只活跃于厨房，它们在许多工业领域中发挥关键作用： 1. 乳化炸药 现代炸药中常用的乳化炸药是一种水油乳液系统，油为燃料，水溶相为氧化剂。为了保持两相混合的稳定性，需加入高效乳化剂（如脂肪酸酯类表面活性剂）。它们在界面上“结网”，防止两相分层，提高能量密度与安全性。 2. 纳米材料合成 在合成金属纳米粒子、量子点等材料时，表面活性剂用于控制粒径、限制团聚。它们既是稳定剂也是模板剂，在自组装结构构筑中不可或缺。 3. 石油开采与污水处理 在三次采油中，表面活性剂降低油-岩界面张力，使残余原油更易流动。在污水处理中，它们有时也被用作分散剂或絮凝剂，提高污染物迁移与沉淀效率。 五、温柔也有锋芒：表活的“毒性”与环境影响 虽然表面活性剂在许多场景中功不可没，但它们并非全无副作用。 部分表面活性剂（如长链烷基苯磺酸盐）难以生物降解，排入水体后可能导致水体发泡、水生生物呼吸困难，甚至具有慢性毒性。 为此，研究者正积极开发生物基表面活性剂（如糖苷类、氨基酸表活），提高可降解性与环境友好性，兼顾性能与可持续性。
本文全面解析材料在工程和日常应用中的关键力学性能，深入介绍刚度、强度、硬度、挠度、弹性、韧性、刚性、塑性等概念，并将奥飞新材的气凝胶产品融入性能分析中，展现其在高性能材料领域的优势。
奥飞新材在某大坝碾压混凝土工程中应用水泥基气凝胶保温抗渗系统，通过2mm设计厚度实现混凝土内外温差小于20℃，有效降低干缩与热缩裂缝风险，并为国家级水电工程提供全生命周期成本更优的混凝土养护解决方案。
