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）
【在这片辽阔的土地上㉘】苏州：工业大市劲唱“强粮歌”******
【在这片辽阔的土地上㉘】
光明日报记者 苏雁
都知道苏州是工业强市，可说起粮食生产，苏州市农业农村局局长宁春生一脸自豪：“这些年，苏州粮食生产一点也不含糊，产量一直稳步增长。今年全市水稻总产量预计13.9亿斤，创7年来新高！”
改革开放以来，苏州工业发展一直走在江苏甚至全国前列。成为工业强市后，一个问题摆在苏州人面前：还要不要发展农业，尤其是水稻种植这样的“纯农业”？
苏州的回答斩钉截铁：不但“要”，而且是高质量的“要”。
苏州有1600多万人口，维持城市安全有序运转，离不开农产品的有效供给。要端稳粮食饭碗，就须臾不能放松粮食生产。
苏州寸土寸金。而粮食生产，离不开耕地。如何守住耕地红线？
11月初，在“草皮之乡”苏州常熟辛庄镇平墅村，记者看到，2600亩水稻迎来丰收。2019年起，常熟决定全面推进退草还田，平墅村成为第一个试点。“每收一茬草皮，都会带走一层土，退草还田，就是为了确保耕地安全！”辛庄镇副镇长陈伟忠说。
近几年，苏州通过退草还田、退渔还田、“三优三保”等行动，新增加10万亩水稻田。
农业是弱质产业。论单位面积收益，种粮食肯定不如建工厂。那么，如何调动种粮积极性？
苏州的做法之一是工业反哺农业。2010年以来，苏州在全市范围建立了生态补偿机制，在全国率先出台《生态补偿条例》。苏州将水稻视为人工湿地的一种，进行生态补偿。每亩补偿420元，使得种粮的比较效益大大增加，稳住了农业基本盘。
地处苏州昆山锦溪镇最北面的长云村，2012年前以水产养殖为主业。根据《生态补偿条例》，昆山市级财政给予每亩水稻田800元补贴。受此激励，2012年以来，长云村退塘还田，建成高标准农田2000多亩。
宁春生介绍，苏州计划用3年时间，按每亩最高1万元的标准，持续对农田进行改造，将苏州的农田都建成为旱涝保收、稳产高产的“吨粮田”。
要实现粮食生产可持续发展，仅靠补贴还不够，必须催发内生动力。发展高产高效优质农业，提高单位面积的产出效益，是增强种粮积极性的关键。而要保证粮食生产“两高一优”，离不开科技支撑。
水稻已经收割，但太仓市城厢镇东林村的田野上依然机声隆隆，多功能旋耕机驶过后的田野松软、平整。“做强农业产业，长远来看，还得靠技术和现代化设备。”太仓市城厢镇东林村党委书记苏齐芳坦言。
依托村里每年1000多万元厂房和门面房租金收益，东林村购买了20多台套先进农机设备，村里的粮食生产全程机械化，2200亩水稻只需要9个农民打理。
在东林村刚收割完的稻田里，记者看到，已经开始用农业机械播种小麦。“2013年起，高标准农田改造好以后，大马力拖拉机引进，农具朝着复式化操作方向发展。小麦播种机上加装了卫星导航的辅助驾驶系统，直行时机械手不需要扶着方向盘，它还能一次性完成土地翻耕、播种、秸秆换田、施肥、开沟、压实种子这六样工作。”在田边，苏齐芳一边比画，一边向记者解释。
现代化的农业生产，更离不开“新农人”。
这些年，苏州在培养新型职业农民方面下足了功夫。苏州在全国率先启动“农业农村专业人才定向委培工程”，分层次、分专业招录1564名定向委培生。通过7家农民教育培训中心和31家实训基地，每年培训高素质农民1万人次以上……
有了“新农人”的加持，田地里有了一番新景象。“志浩，趁天晴，咱们赶快把秸秆打包好！”说话间，东林村职业农民高健和同事王志浩驾驶的搂草机和包膜机开进了农田。只见搂草机把散落在田里的稻草搂成一拢，打捆机迅速把一拢一拢稻草秸秆压缩成圆捆。包膜机紧随其后“上场”，不到一分钟，就把一捆捆重达上千斤的秸秆用白色薄膜缠绕成一个个“啤酒桶”，轻轻放在田埂上。
为啥要给秸秆包薄膜？高健告诉记者：“包裹得严严实实的稻草秸秆，在厌氧环境里发酵，一个月后装到秸秆饲料厂，根据配比加入豆粕、玉米，加工成富含淀粉和蛋白质的饲料，这是牛羊喜爱的美味食物。”
2016年，东林村和江苏省农科院合作，投资建设秸秆饲料厂，年加工能力6万吨，目前年产粗饲料2.5万吨。由此，东林村自身形成了“种植—秸秆饲料—养殖—有机肥料—种植”的生态循环模式。合作农场化肥用量比传统减少约60%，土壤有机质含量从1.9%提高到4%，江南的土地也具备了“黑土地”的肥力。“我们提高‘一粒米’的附加值，开发的富硒大米，口感好，销量不愁。”高健说。
持续提升种粮的边际效益，也是苏州近些年来努力的方向。具体做法是，着力推动农文旅深度融合。
漫步东林村，田埂上的松果菊开得正艳，稻田咖啡馆飘出了咖啡的浓香，田园新干线的小火车擦拭一新，观光农业引来游人无数。“光今年十一假期，村里的旅游收入就有近百万元。”苏齐芳告诉记者。
一系列助农举措，不仅稳定了工业大市苏州的粮食生产面积和产量，也大大提升了农民的收入。据统计，近3年来，苏州全市粮食种植面积年均提升2%以上，农民人均可支配收入年均增长8.6%，达41487元，城乡居民收入比逐年下降，现在已缩小到1.85：1。
东林村农民张耀忠祖孙三代种粮，他亲历了东林村的变化，也尝到了发展现代农业的甜头。“我的父辈就是面朝黄土背朝天种地，我那一代开始了农业机械化，我儿子这一代则用上了智能农业系统。现在，喷农药有无人机，开拖拉机、插秧机、联合收割机，人都不用下地，站田埂上遥控就行了。”张耀忠感慨万分：“现在种地，舒服得嘞！”
《光明日报》（ 2022年12月21日 01版）
