重大进展！气凝胶可能成为未来太赫兹技术实现的关键 -山东化工网

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重大进展！气凝胶可能成为未来太赫兹技术实现的关键

文章来源：新能源网更新时间：2024-03-12 16:24:02

瑞典林雪平大学的研究人员在《先进科学》杂志上发表的一项研究报告称，他们在太赫兹波技术领域取得了重大进展。他们证明，太赫兹光通过由纤维素和导电聚合物组成的气凝胶时，其传输速度可以调整。这项研究成果为提高先进医疗成像和通信等领域的应用带来了巨大希望，凸显了高频太赫兹波的广泛潜力。

什么是太赫兹波？

太赫兹技术是一种利用太赫兹波进行通信、探测、成像、光谱等应用的技术。太赫兹波是指频率在0.1 THz到10 THz范围的电磁波，波长大概在0.03 mm至3 mm之间。太赫兹波具有一些独特的特性，如透视性、安全性、光谱分辨能力等，使得它在医疗、安检、通信等领域有着广阔的应用前景。

气凝胶是用水溶液制造的，不需要复杂的制造程序，因此很有希望以低成本实现大规模可持续生产。

太赫兹波段的波长介于电磁波谱中的微波和红外线之间。它的频率非常高。因此，许多研究人员认为，太赫兹波段在太空探索、安全技术和通信系统等方面具有巨大的应用潜力。在医学成像方面，太赫兹还可以替代 X 射线检查，因为太赫兹波可以穿过大多数非导电材料，而不会损坏任何组织。

气凝胶可通过简单的化学修饰获得高疏水性。然而，在太赫兹信号得到广泛应用之前，还有一些技术障碍需要克服。例如，难以有效地产生太赫兹辐射，需要能够接收和调节太赫兹波传输的材料。

太赫兹波调制技术取得突破

林雪平大学（Linköping University）的研究人员现已开发出一种材料，其对太赫兹信号的吸收可通过氧化还原反应开启或关闭。这种材料是一种气凝胶，是世界上最轻的固体材料之一。

"它就像是太赫兹光的可调滤波器。在一种状态下，电磁信号不会被吸收，而在另一种状态下，则可以被吸收。"林雪平大学有机电子实验室（LOE）的博士后陈尚志说："这种特性对于来自太空的远距离信号或雷达信号非常有用。"

林雪平的研究人员使用导电聚合物 PEDOT:PSS 和纤维素来制造气凝胶。他们在设计气凝胶时还考虑到了户外应用。它既能防水（疏水），又能通过阳光加热自然解冻。

与其他用于制造可调材料的材料相比，导电聚合物具有许多优势。除其他优点外，导电聚合物还具有生物相容性、耐用性和极强的可调谐性。可调谐性来自于改变材料中电荷密度的能力。与其他类似材料相比，纤维素的最大优点是生产成本相对较低，而且是一种可再生材料，这对于可持续应用至关重要。

LOE 博士后匡朝阳说："太赫兹波在较宽频率范围内的传输可在约 13 % 到 91 % 之间调节，这是一个非常大的调制范围。"

主要国家开发出多种新型气凝胶材料

气凝胶的制备工艺主要分为两步：一是通过溶胶-凝胶过程制备凝胶；二是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。干燥过程又分为超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥、常压干燥等方法。其中，溶胶-凝胶过程是制备气凝胶最核心的过程，直接决定了气凝胶的各种微观结构与性质，包括水解和缩聚两个步骤。

近年来，中美欧等国研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶材料。美国科罗拉多大学的研究人员利用啤酒酿造工业的废弃物作为培养基，使用由醋酸杆菌制备出的细菌纤维素，通过超临界干燥法等方法制备出一种细菌纤维素气凝胶材料，具有低热导率的特征。法国国家科学研究中心的研究人员采用与传统制备工艺不同的水热处理法制备出单宁基碳气凝胶，具有较高的比表面积和比电容量。

山东大学的研究人员成功制备出一种高性能的偕胺肟基修饰的环糊精/石墨烯气凝胶，其对海水中铀表现出较强亲和力和选择性，在天然海水中具有出色的铀提取能力，21天即可实现19.7mg/g的铀吸附量。中国四川大学的研究人员利用双向取向的碳气凝胶复合多壁碳纳米管，开发出能够在极端温度下保持功能性和超弹性的新型聚合物气凝胶材料，其可在-196℃至500℃的温度范围内发挥作用。

气凝胶材料的主要应用

气凝胶具有极低密度、超高孔隙率、低折射率、低热导率、低声阻抗等特性，这是一般固态材料所不具备的。这些特性使其在隔热保温、生物医学、隔音、吸附等领域具有巨大的应用前景。

（一）隔热保温领域

气凝胶材料的导热系数非常低，是目前已知的隔热、保温性能最好的材料。NASA曾对多孔材料、泡沫材料、相变材料、气凝胶材料等多种材料的隔热效果、质量、材料柔性、力学强度、厚度等性能进行综合对比，发现气凝胶不仅具有良好的综合性能，而且兼具更加优异的保温隔热性能，可作为宇航服的候选材料。此外，气凝胶材料在节能窗、屋面太阳能集热器、保温涂料等民用领域，以及飞机黑匣子、战斗机机舱隔热层等军事领域中也有广泛应用。

（二）生物医学领域

气凝胶材料具备生物相容性、合适的机械性能、生物可降解性等特性，已应用于可植入医疗器械、非侵入成像、骨接枝和生物传感器等领域。此外，气凝胶材料还可被制备成微球用于药物缓释，以达到向靶细胞靶向控制释放药物的功能，具有潜在应用价值。

（三）隔音领域

气凝胶材料不仅具有极大的内表面积，可使声波在其内表面上进行多次反射而衰减，而且具有极高孔隙率，其表面的纳米级孔道使得空气黏性流动的速度与空气分子的Knudsen扩散速度相接近，以此消耗掉一部分通过空气传播的声能，达到良好的隔音效果。

（四）吸附领域

气凝胶材料具有极高孔隙率，可对有机物进行有效的吸附，还可以用来除去金属离子。与传统方法相比，利用碳气凝胶进行电吸附除去溶液中的金属离子具有减少二次污染、节能、可再生的优势。此外，改性后的气凝胶材料还可对特定物质进行选择性吸附，如将四乙烯五胺负载在二氧化硅气凝胶中，可对二氧化碳进行高效吸附。

气凝胶材料的未来研究方向

气凝胶材料种类多样，合成工艺逐渐形成体系，但是目前针对气凝胶的研究依然存在一些问题：气凝胶高温条件下热导率增长较快；相对于金属材料而言，气凝胶整体的机械强度还是较弱；气凝胶与纤维等增强基体材料的黏结性差；气凝胶的生产过程中会用到许多有机溶剂，造成环境污染，不利于大规模生产；气凝胶难以回收利用，不利于可持续发展等。

气凝胶未来的研究方向和发展趋势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材料；通过采用不同的前驱体、优化合成方法和改变加强体等方法调控气凝胶结构；扩展气凝胶应用领域等。

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