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）
BOE（京东方）创新科技赋能体育盛会无限“京”彩******
第24届冬季奥林匹克运动会在北京举行，2022年2月4日北京冬奥会开幕式恰逢中国二十四节气之首“立春”，开幕式上运用最新科技手段为世界人民带来“中国式浪漫”。从令全球观众赞叹不已的主火炬台、全球最大的8K超高清地面显示系统，再到整个赛事期间随处可见的8K超高清显示大屏、志愿者数字胸牌……据了解，这些“黑科技”均来自BOE（京东方）。
作为全球领先的物联网创新企业，为本届冬奥会增添“京”彩一笔。音乐光影流转，炽烈的圣火燃烧在北京的夜空，宣告这场全球瞩目的冬季冰雪体育盛会正式开幕，为世界献上一场融合数字科技与美学创新，极富科技感、立体感、动态感、唯美感和体验感的全新视觉盛宴。
“软硬融合”创新科技让主火炬台上巨型“雪花”盛放。为实现导演组火炬台要像“钻石般璀璨闪耀”的创意理念。据了解，开幕式的主火炬台直径达14.89米，由96块小雪花形态和6块橄榄枝形态的LED双面屏创意组成，采用双面镂空设计，嵌有55万余颗LED灯珠，每一颗灯珠都由驱动芯片的单一信道独立控制。BOE（京东方）核心研发团队通过500多张设计图纸和近10轮的制样，研发出目前行业内发光面最窄的单像素可控异形显示产品，充分呈现雪花的线条感和细腻的画面显示效果，成功将导演组的艺术创意变为现实。
火炬点燃后，巨型雪花屏由中心向四周辐射开来，波浪般层层递进璀璨光芒，快速变换、完美同步的显示画面背后，采用的是BOE（京东方）AIoT技术体系及自主研发的同/异步兼容信发系统，异步集控能在极短时间内将大规模视频内容快速下发，同步集控确保102块双面屏幕实现毫秒级响应；此外，“主路+环路”备份的高冗余控制系统确保了火炬台播控系统的超高可靠性。
同时，通过采用LoRa（远距离无线电）低延迟控制系统搭配同步播放时间校正技术，进一步确保指令下发万无一失，实现视频画面完美协同。整体硬件支撑、软件系统均由BOE（京东方）自主研发设计。伴随圣火点亮，开幕式让全球观众都为其唯美浪漫而惊艳震撼。
全球最大8K超高清地面显示系统呈现出“会发光的舞台”震撼的视觉艺术。奥运的舞台上，绝不单是赛场上运动员之间的较量，更是赛场背后科学水平、技术装备的大比拼。据了解，目前全球最大的8K超高清地面显示系统应用于开幕式舞台地面，与演员表演实时互动，交相辉映。
整体舞台面积达10393平方米，采用多个8K+级分辨率的画面融合技术，超大规模的光学校正算法可对每个显示画面进行像素点级的光学校正，可实现100000:1超高对比度、3840Hz超高刷新率，以及29900x15096超高分辨率的超高清绚丽画面。通过搭载BOE（京东方）自主研发的超大规模显示模组控制与同步系统，还可实时捕捉演员行进轨迹，实现画面与演员的无缝互动。同时，在长达5个月的高强度排演及冬季零下30摄氏度的极端低温雨雪天气，地面显示系统依然能实现稳定运行。
开幕式视效总监、视效总制作团队黑弓Blackbow负责人王志鸥表示，我们历时三年，以“数字科技”为载体，以“传统与创新结合”为立意，围绕主火炬台打造璀璨梦幻的冰雪意境，用视觉艺术向世界讲述新时代的中国文化故事，而这些视觉内容的呈现需要与硬件技术的高度协同和完美配合，正是BOE（京东方）全球领先的显示技术和智慧系统，让开幕式的创意内容达到了最好的呈现效果。
智慧显示“8K看比赛”，物联网科技“数字胸牌”，使黄金赛事资源焕发活力。作为中央广播电视总台8K超高清技术合作伙伴，BOE（京东方）携手央视，以领先的8K专业级显示助力国际顶级冰雪赛事的首次8K直播，并在首都体育馆、张家口山地新闻中心等地开展8K超高清赛事转播，还携手合作伙伴让近200台超大尺寸8K电视走进北京市150个社区、10所高校、体育比赛场馆、国家大剧院、科技部、行政副中心等场所，为全球观众及广大市民带来极具临场感的超高清赛事盛宴。
整个赛事活动期间，在运动员村，志愿者胸前佩戴的BOE（京东方）数字胸牌采用护眼电子墨水屏，能清晰呈现黑、白、红三色显示，量身定制的智能软件及一组人工智能算法支持图文内容“海量快速刷新”，可随时、高效更新显示信息，从制卡、刷卡到拿卡仅需10秒即可完成，同时采用“无源”设计，使用手机NFC功能即可通信取电，真正实现绿色低碳理念。
BOE（京东方）从2016年夏季赛事期间全球首次顶级赛事8K超高清实况转播，到携手中国国家击剑队亮剑东京赛场，再到2019年国庆70周年庆祝活动上3290块光影屏表演，作为领先的物联网创新企业，不断开拓数字化应用场景版图，与全球各界伙伴携手激发物联网产业的蓬勃生命力，共创智慧化新未来。（王一涵）
