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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）

聚焦重点领域 系统谋划未来产业发展******

　　作者：鹿文亮、王晓明（中国科学院科技战略咨询研究院）

　　近年来，我国在新能源汽车、人工智能、量子信息、绿色低碳、基因技术等领域取得了一系列重大科技创新成果，培养了一批科技领军人才，孵化了一批科技创新型企业，这些都为我国开辟新赛道、谋划未来产业发展创造了能力和条件。

　　我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出，前瞻谋划未来产业。在类脑智能、量子信息、基因技术、未来网络、深海空天开发、氢能与储能等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。国家层面高度重视，多部委提出要布局和发展未来产业。科技部、教育部发文确定了10个未来产业科技园建设试点以及1个建设试点培育。进一步明确未来产业重点领域，推进典型应用场景示范，培育产业创新生态，系统谋划未来产业发展具有重要意义。

　　我国已具备发展未来产业的能力和条件

　　近年来，我国在新能源汽车、人工智能、量子信息、绿色低碳、基因技术等领域取得了一系列重大科技创新成果，培养了一批科技领军人才，孵化了一批科技创新型企业，这些都为我国开辟新赛道、谋划未来产业发展创造了能力和条件，具体表现在以下几个方面：

　　在科技创新方面，我国已经构建了从国家到区域的科技创新体系，不断强化战略科技力量。先后布局了一批大科学装置，为我国在基因技术、未来网络、绿色低碳等未来产业方向的技术突破奠定了基础。国家层面支持有条件的地方建设综合性国家科学中心或区域科技创新中心，使之成为世界科学前沿领域和新兴产业技术创新的高地和创新要素的汇聚地，构建了“国家+区域”的科技创新体系。形成了由国家科研机构、高水平研究型大学、科技领军企业构成的国家战略科技力量，并不断强化战略科技力量的创新能力。

　　在产业发展方面，近十年战略性新兴产业的持续发展在部分领域形成了全球影响力。我国在5G、北斗、高铁、特高压、新能源汽车等领域取得了显著成绩。新能源汽车实现弯道超车，构建了完整的产业链条，产销量连续多年位于全球第一。我国还建成了全球最大的5G网络，中国企业声明的5G标准必要专利占比达到38.2%，并逐步拓展5G在工业、交通、制造等多个行业的融合应用。我国在战略性新兴产业方面取得的成就，为我们开展前沿技术创新及发展未来产业奠定了基础。

　　从发展经验来看，我国初步探索了前沿技术创新的发展模式和路径，积累了培育未来产业的经验。过去十年来，依托区域创新体系建设和战略性新兴产业发展，我国在创新主体和平台建设、科技成果转化等方面，建立了包括人才、知识产权、风险投资等在内的要素和市场体系。在云计算、大数据、人工智能、5G等领域发挥了民营企业和平台公司的创新作用，在高铁、特高压等高端装备领域探索新型举国体制，积累了培育发展未来产业的经验。

　　面向重点领域布局未来产业生态体系

　　未来产业具有依托新技术、引领新需求、创造新动力和扩展新空间的“四新”特征。发展未来产业要充分考虑国家发展战略需求，还要考虑到未来产业的前瞻性和不确定性。为此，要统筹布局，把握未来产业发展方向，在不确定性中寻找确定性，通过推进科技成果转化来实现未来产业落地发展。在特定区域先行先试，通过创新政策、创新场景培育一批“新物种”企业，构建未来产业生态。

　　首先，面向国家发展战略需求，明确我国未来产业重点领域和发展方向。未来产业是由重大前沿技术创新驱动，对我国经济社会具有支撑引领作用，当前处于萌芽或产业化初期的前瞻性新兴产业。未来产业的发展具有不确定性，但从技术发展趋势和未来消费需求升级来看，未来产业的发展又有一定的确定性。以“十四五”规划中未来产业的六大领域为重点，中央经济工作会议进一步明确，加快推进新能源、人工智能、生物制造、绿色低碳、量子计算等前沿技术研发和应用推广。确定优先发展的未来产业方向，进一步组织攻关一批需要重点突破的关键核心技术。

　　其次，加快推进前沿技术的产业化落地，建设一批“未来+”应用场景。将未来产业的创新技术与行业需求进行匹配，探索未来产业技术和产品的重点应用领域。面向“未来+”场景，推进“技术创新—产品研发—场景应用”的融合创新，打造未来城市、未来能源、未来交通、未来制造、未来农业、未来健康等重点场景。发挥场景创新的牵引作用，率先引导一批技术成熟度高、产业化能力强、市场需求旺盛的未来产业前沿技术在应用场景和行业领域产业化落地。

　　最后，遵循产业发展规律，培育未来产业创新生态。遵循从前沿技术创新到产业化应用的发展规律，以原始创新为引领，按照“技术创新—成果转化—示范应用—生态培育”的发展思路，制定一批创新政策和管理规范，攻克一批战略性和引领性的前沿技术，孵化一批未来产业“专精特新”和“新物种”企业，建成一批未来产业示范应用新场景，培育竞争力强、经济效益好、具备一定国际竞争力的未来产业创新生态。

　　为未来产业配置资源要素和发展空间

　　发展未来产业具有战略意义，但由于未来产业成熟度较低，回报周期长，早期应给予引导与支持。一方面是将资金、人才等要素向未来产业技术研发和产业化倾斜，提升产业成熟度；另一方面则是通过模式创新和领域开放，为未来产业提供发展空间。具体可以从以下几方面发力：

　　一是引导科技研发项目向未来产业重点领域倾斜，突破一批关键核心技术。科技政策聚焦自立自强，完善新型举国体制，发挥政府在关键核心技术攻关中的组织作用。面向我国未来产业发展需求，推动相关部门、研发机构和科技企业自上而下地布局科研项目向未来产业重点领域倾斜。针对产业发展的短板环节和可能形成战略长板的领域方向，引导战略科技力量增加研发投入。

　　二是建立未来产业创新激励政策，汇集未来产业资源要素。制定财税、金融、人才等产业政策，并在未来产业先导区先行先试，利用产业政策汇集人才、资金等要素，并探索政策的精准性和效能。政府层面设立未来产业“母基金”，并与市场资金共同设立专项“子基金”进行投资，同时发挥政府引导作用和市场选择作用。发展与安全并举，加强金融监管，推动形成“科技—产业—金融”良性循环发展。

　　三是鼓励模式创新与新兴领域探索，为未来产业提供发展空间。在涉及国家战略的未来产业领域，发挥新型举国体制的技术攻关组织和产业化推动作用。在关系到国家安全的未来产业自主创新领域，发挥政府采购等的作用，为新技术、新产品提供市场空间。

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）