执行摘要
- 气凝胶是一种超轻、高孔隙率的纳米结构材料，其空隙率高达 90% 至 99.8%，密度最低可达 0.0011 g/cm³。气凝胶由塞缪尔·基斯特勒（Samuel Kistler）于 1931 年首次开发，集极低导热系数、低声速、低介电常数和高比表面积等特性于一身。
- 气凝胶主要分为三大类：无机气凝胶（二氧化硅、金属氧化物、硫族化合物）、有机气凝胶（碳、碳纳米管、石墨烯、聚合物）以及复合气凝胶（混合氧化物、基于金属有机框架（MOF）和 Mxene 的材料）。每种成分组合都能带来不同的机械、热学和电子性能，从而将该领域的应用范围远远扩展至传统隔热之外。
- 自 2013 年以来，专利活动急剧增加，多种气凝胶类别的专利数量现已达到或超过期刊发表量，这有力地表明了其商业发展势头。预计 2025 年至 2035 年间，全球气凝胶市场将以约 17% 的复合年增长率增长。
气凝胶具有多孔和超轻的特性，是由凝胶经处理后将液体成分替换为气体而合成的纳米结构材料。首个由二氧化硅开发的气凝胶由基斯特勒于 1931 年报道。到 20 世纪 90 年代，美国国家航空航天局（NASA）已将其用于航天器、宇航服和隔热毯的隔热。此后，气凝胶已被广泛应用于海底系统、炼油厂、工业管道、建筑、冰箱以及夹克和鞋垫等服装用品的隔热。
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这些材料采用新型干燥方法，形成了坚固、超轻的树枝状微观结构，其孔径小于 100 纳米，空隙率高达 90% 至 99.8%。由于这些孔隙太小，空气无法在其中流动，因此气凝胶具有极佳的隔热效果。
得益于材料加工技术的创新，气凝胶现已具备多种性能，使其在隔热以外的领域（如能源存储、催化、药物输送等）展现出应用潜力。近期的进展带来了更耐用的选择，相关研究正致力于增强其结构完整性和热学性能。气凝胶还表现出非粉末材料所具备的高比表面积、低扩散平均自由程、低导热系数、低声速、低折射率、低介电常数以及极低的密度（范围从 0.0011 到约 0.5 g/cm³）。
我们查阅了CAS 内容合集TM，这是全球最大的人工标引科学信息数据库，旨在探究这些材料科学领域的突破正在何处产生最大的影响。
气凝胶是“冻结的烟雾”吗？
最早开发的一些气凝胶——二氧化硅气凝胶——因其轻盈、超低密度的特性而被称为“冻结的烟雾”。然而，虽然所有气凝胶都极其轻盈，但它们并非像其绰号所暗示的那样由烟雾制成。
根据成分的不同，气凝胶主要分为三种类型：基于无机气凝胶、有机气凝胶和气凝胶复合材料。无机气凝胶不仅包括二氧化硅气凝胶，还包括金属氧化物气凝胶和硫族化合物气凝胶，它们通常由金属醇盐或金属盐等无机前驱体材料合成。有机气凝胶包括碳气凝胶、碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶和聚合物气凝胶，它们均由酚醛树脂等有机前驱体材料合成。复合气凝胶包括混合氧化物气凝胶、气凝胶-金属有机框架（MOF）复合材料、气凝胶-Mxene 复合材料，以及通过结合无机和有机前驱体合成的气凝胶。
我们对 CAS 内容合集的分析显示，过去二十年来，与气凝胶相关的出版物数量大幅增长。自 2013 年以来，专利数量持续上升，在某些年份甚至超过了期刊发表量，这表明该领域具有巨大的商业价值（见图 1）。
对于某些类型的气凝胶，专利数量甚至超过了期刊论文——例如，已上市多年的无机气凝胶，以及较新的合成聚合物气凝胶（见图 2）。作为最新类别的气凝胶复合材料，其相关出版物相对较少，目前期刊论文的数量略高于专利文献。
我们还分析了 CAS 内容合集 (CAS Content Collection™) 中期刊论文和专利收录的前 20 种物质（图 3），这些物质与图 2 中呈现的文献量密切相关。这些物质是特定类别气凝胶合成中最常用的材料。
探索不同类型的气凝胶
预计气凝胶市场在 2025 年至 2035 年的预测期内，复合年增长率 (CAGR) 将达到约 17%。目前正在开发哪些不同类型的气凝胶？它们又将如何应用？
聚合物气凝胶：合成聚合物气凝胶的性能与二氧化硅基气凝胶非常相似，其增强的绝缘性和机械强度使其适用于航空航天、储能与转换，以及防弹背心、护膝和运动器材等防护装备。可生物降解和生物基聚合物的开发也日益受到重视，因为这些材料为气凝胶提供了可持续的替代方案。其功能化潜力赋予了它们适合组织工程、再生医学和药物递送系统等生物医学应用的特定性能。
无机气凝胶：金属氧化物气凝胶凭借其无机离子晶体结构的固有特性，展现出卓越的热化学稳定性，使其适用于催化应用。同样，硫族化合物气凝胶主要由高质量半导体材料组成，这使其在传感器、LED、光伏、光催化和电催化等前沿应用中极具前景。
复合气凝胶：基于 MXene 和 MOF 的气凝胶复合材料是近期的研究成果，目前仍处于研发阶段。值得注意的是，将二维 MXene 片层策略性地集成到三维多孔气凝胶中，展现出了优异的导电性、机械强度和高比电容，性能超越了传统的超级电容器电极材料。其柔韧性和轻量化特性也使其成为便携式和柔性电子设备的理想选择。
基于 MOF 的气凝胶的合成也彻底改变了材料科学，它将 MOF 的微孔/介孔结构与气凝胶的介孔/大孔结构相结合，产生了具有卓越形态、机械和物理化学性能的结构。这些先进材料已在超级电容器以及催化、药物递送、传感、储能、水处理和环境修复等工艺中得到了广泛应用。
气凝胶的独特应用
显而易见，气凝胶在储能、催化和各类生物医学应用中展现出巨大的潜力。同样值得注意的是，化妆品和声学（隔音）行业的专利出版物数量多于期刊论文，这凸显了气凝胶在这些领域的商业化进程（见图 4）。
With their ability to diminish the speed and amplitude of sound waves, aerogels can be used as acoustic insulation materials. In cosmetics, aerogels function as anti-shine agents in creams. Composite aerogels of TiO2-silica are being added to sunscreen because of their photoprotective properties, which can increase SPF beyond what conventional formulations can achieve. These uses demonstrate the potential of aerogels to improve all types of products, including consumer goods.
克服商业化挑战
尽管近期取得了许多进展，但气凝胶仍存在机械强度低和质地脆弱等缺点，这限制了其应用。复合气凝胶和聚合物气凝胶的开发正在解决这些问题，但要实现更广泛的应用，仍需付出更多努力。
其生产过程依然复杂且耗时，虽然已实现实验室规模的生产，但在不影响质量和性能的前提下实现工业化规模生产仍面临巨大障碍。同样至关重要的是，研究人员必须找到降低气凝胶生产成本的方法——这与规模化生产的问题密切相关。
气凝胶市场仍处于起步阶段，因此存在一些挑战并不令人意外。然而，这些材料的未来一片光明。随着科学家们不断挖掘其全部潜力，气凝胶将在从能源到医学等更多领域发挥令人瞩目的作用。
