“雪花”塑造“柔性陶瓷�/h2>

2023-10-25 | 李清æ³?/span> | 来源 ¿U‘å­¦¾|?023/10/18 |

2021òq´å†¬å¤©ï¼Œåœ¨æ¸…华大学从事博士后研究工作的李¼‚?/span>åQ?span lang="EN-US">2020-2022博后åQŒææ–™ï¼‰æ­£åœ¨ç ”发一¿Uå…¨æ–°çš„气凝胶制备方法，常规æ–ÒŽ(gu¨©)³•éƒ½ç”¨éäº†åQŒå´æ²¡ä»€ä¹ˆå®žè´¨è¿›å±•ã€‚他和朋友习(f¨¤n)惯性来到清华大学近春园散步åQŒè¿™ç‰‡è¯žç”Ÿã€Šè·å¡˜æœˆè‰ŒÓ€‹çš„知名池塘里，只有枯枝落叶在冰面上随风飘零åQŒå†°é¢ä¸Š˜q˜ä¸€ž®å †æœªåŒ–的雪åQŒå½“目光聚焦在雪堆和冰面的交界处åQŒæŽ¼‚Šå¾—åˆîCº†å¤§è‡ªç„¶çš„启示ã€?/span>

冰面上的雪堆上热下冷åQŒç»˜q‡åå¤å†»èžï¼Œé›ªåŒ–在冰里，冰包住了雪，而这一˜q‡ç¨‹‹È€å‘了气凝胶制备的灉|„Ÿã€‚于是，李磊开发一¿Ué¢†åŸŸå†…首创制备气凝胶的æ–ÒŽ(gu¨©)³•åQŒå³¼„Žå†°æ¨¡æ¿æ³•ï¼Œå¯ä»¥å¤§è§„模组装同性纳¾c³çº¤¾l´æ°”凝胶ã€?/span>

˜q‘æ—¥åQŒæŽ¼‚Šçš„导师清华大学教授伍晖、北京大学研½I¶å‘˜éŸ¦å°ä¸ã€å—京大学教授朱嘉、中北大学副教授李伟伟共同合作，使用å…ähœ‰æ™®é€‚性的、可控的¼„Žå†°æ¨¡æ¿æ³•ï¼Œž®†ä½Ž¾l´ææ–™æµ†æ–™å†·å†Õdœ¨æ—‹è{的低温滚½{’表面上后将其粉¼„Žï¼Œç„¶åŽž®†ç¢Žå†îC¸Ž‹¹†æ–™æ··åˆé‡æ–°å†·å†»é“”R€ æ¥å¤§è§„模制备一¿Uå„向同性气凝胶。相关研½I¶æˆæžœä»¥ã€ŠåŸºäºŽæŸ±çŠ¶æ™¶åˆ°ç­‰è½´æ™¶è½¬å˜çš„各向同性纳¾c³çº¤¾l´æ°”凝胶的大规模¾l„装》äØ“(f¨´)题，发表于《自ç„?span lang="EN-US">-通讯》期刊，李磊、周仪倩、高?g¨°u)z‹äØ“(f¨´)论文共同½W¬ä¸€ä½œè€…ã€?/span>

“剑走偏锋”的研发�/span>

1931òqß_(d¨¢)¼Œ¾ŸŽå›½å­¦è€…斯特勒使用­‘…äÍ(f¨´)界方法制备制得世界第一‹Æ¾æ°”凝胶åQŒåˆšå¼€å§‹äñ”品不仅贵而且产量很小。百òq´æ—¶å…‰èè‹’，气凝胶家族成员已发展出几十种åQŒå®ƒä»¬ä»¥æžä½Žçš„密度、极ž®çš„孔径、极低的隔热¾pÀL•°ã€æžä½Žçš„声音传播速度½{‰è¯¸å¤šä¼˜ç‚¹è€Œé—»åï¼Œå¤šæ ·åŒ–的产品形式使其应用更加灉|´»òq¿æ³›åQŒéå¸ƒçŸ³åŒ–、军工、航天、电(sh¨´)池、环保、徏½{‘、交通等各个领域ã€?/span>

在导师的指导下，李磊æƒÏxŽ¢ç´¢åˆ¶å¤‡é™¶ç“ähæ–™çº¤¾l´æ°”凝胶新方法，˜q™ç±»æ°”凝胶成分和陶瓷一æ øP¼Œæœ€è½Èš„只有每立方厘¾c?span lang="EN-US">0.6毫克重，可以伫立在蒲公英的顶端，而且˜q˜æœ‰è‰¯å¥½çš„柔性、高温稳定性和低热导率åQŒé›†å››ç§ç‰ÒŽ(gu¨©)€§äºŽä¸€íw«ã€?/span>

本来åQŒé™¶ç“ähæ–™çº¤¾l´æ°”凝胶除了一些特ŒDŠç”¨é€”之外，大众òq¶ä¸ç”šäº†è§£ï¼Œæ—¥å¸¸ç”Ÿæ´»ä¹Ÿç”¨ä¸ç€åQŒä½†éšç€ç”?sh¨´)动汽èžR的快速发展和普及(qi¨¢ng)åQŒæ°”凝胶成äØ“(f¨´)动力甉|± åŒ…的重要¾l„成部分åQŒè¶Šå‘受到关注ã€?/span>

李磊有着很明昄¡š„感受åQŒä¼´éšç€ç”?sh¨´)动汽èžRçš„å´›èµøP¼Œæ°”凝胶的¿U‘ç ”˜q›å±•ä¹Ÿæ˜¯½Hé£žçŒ›è¿›åQŒæˆ‘国在气凝胶科研和生äñ”领域实力已经跃居领先åœîC½ã€?/span>

但是相关研发仍然没有停歇åQŒä¸€æ–šw¢æ˜¯å›½å¤–专利壁垒的限制åQŒå¯¼è‡´æˆ‘国企业生产的气凝胉™š¾ä»¥èµ°å‡ºå›½é—¨ï¼Œæ€¥éœ€æ‹¥æœ‰å…¨æ–°ä¸“利的äñ”品，另外一斚w¢æ˜¯åŽŸæ¥çš„­‘…äÍ(f¨´)界法耗能高、äñ”量低、ä­h(hu¨¢n)格高åQŒéœ€è¦æ”¹˜q›ã€?/span>

伍晖表示åQŒæŠŠå¾®è§‚¾l“æž„¾l„装成可以大规模刉™€ ã€å¤§ž®ºå¯¸æˆåž‹çš„轻质宏观体材料åQŒæ˜¯é‡è¦çš„科学挑战，也是大量实际应用和äñ”业界都面临的共性问题ã€?/span>

“荷塘月艜y€å¯å‘灵æ„?/span>

与传¾lŸçš„­‘…äÍ(f¨´)界方法不同，李磊一开始就使用自己è¯ùN¢˜¾l„更擅长的冷å†Õdˆæˆæ³•è¯•æ°´åQŒç»“果略æ˜ùN—憾，老办法终½I¶æ²¡èƒ½è¯žç”Ÿæ–°å¥‡è¿¹ã€‚生产出来的气凝胶没有力学性能åQŒä¸€¼„°å°±æ•£ï¼Œéšé£Žé£žèˆžã€‚其实，传统冷冻手段太单一、冰晶生长不可控的缺点很明显åQŒæ˜ŽçŸ¥é“问题在哪里，但是却想不出更好的办法ã€?/span>

每年下雪后，æ ?w¨¨i)坑里的雪堆旉™—´é•¿äº†ž®×ƒ¸å†æ¾è½¯ï¼Œít©ä¸ŠåŽÈ¡¬é‚¦é‚¦åQŒå‡ ä¹Žå˜æˆä¸€å—冰åQŒå½“˜q™åŒ—æ–ÒŽ(gu¨©)œ€å¸¸è§çš„现象突然出现在李磊的视¾U‰K‡Œæ—Óž¼Œåœ¨ä»–脑中萦绕的冰晶结构不½E›_®šçš„复杂问题停止了˜qè{ã€?/span>

李磊脑æ“v˜q…速回放了最˜q‘几十天˜q™å †é›ªæ˜¯å¦‚何从蓬村֏˜ä¸ºç¡¬å®žçš„˜q‡ç¨‹ã€‚久久无人清理的雪堆¾lè¿‡åå¤èžåŒ–和冰冻，冰晶的边¾~˜å®žçŽîCº†èžåˆåQŒå‡ž®‘了¾~éš™åQŒåŠ å›ÞZº†æ•´ä¸ªææ–™çš„结构，˜q™ä¹Ÿž®±æ˜¯é›ªå †æ—‰™—´é•¿äº†ä»¥åŽít©ä¸åŠ¨çš„原因ã€?/span>

此后åQŒæŽ¼‚Šçš„试验速度½Hé£žçŒ›è¿›åQŒä»–们把新发展的¼„Žå†°æ¨¡æ¿æ³•å·¥è‰ºæ˜qîCØ“(f¨´)一¿UåŠ¨æ€å†·å†ÀL–¹æ³•ã€‚实验室里，李磊操控着手掌大小的低温鼓åQŒå°†å®ƒçš„转速控制在每分é’?span lang="EN-US">50转，刮板抬高3毫米åQŒæ·‹åœ¨ä½Žæ¸©é¼“上的‹¹†æ¶²˜q…速冷冻，又被¾_„¡¡®åˆ‡å‰²ä¸ºç¢Žå†°æ™¶ã€?span lang="EN-US">â€?/span>˜q™ä¸€æ­¥ï¼Œä¸Žå¤å­£å†°é•‡é¥®å“çš„做法颇äØ“(f¨´)¾cÖM¼¼â€?/span>åQŒæŽ¼‚ŠåˆæŠŠç¢Žå†°æ™¶ä¸Žçº¤¾l´æº¶æ¶²æ؜合搅拌，¾lè¿‡é›¶ä¸‹20摄氏度低温冷å†Õd¹²ç‡¥å’Œ600摄氏度高温煅烧等复杂步骤åQŒæ‰æœ€¾lˆæ‰“造出¾U¯æ— æœºæ°”凝胶ã€?span lang="EN-US">â€?/span>说它是胶也行åQŒç§°ä¸ºæ“v¾l‰|›´åˆé€‚，成分和陶瓷一æ øP¼Œä½†æ˜¯å´æ¾è½¯æœ‰å¼ÒŽ(gu¨©)€§ï¼Œ˜q™å°±æ˜¯çº³¾cÏxæ–™çš„¼œžå¥‡ä¹‹å¤„â€?/span>

冰块切雪花，再压实成为冰块，看似“多此一ä¸ä€ï¼Œå®žåˆ™æ˜¯â€œå…³é”®ä¸€æ‹›â€ã€‚因为åã^板冷å†ÀL•ˆçŽ‡å¤ªä½Žï¼Œå†°æ™¶ç”Ÿé•¿åŽšåº¦æœ‰ä¸Šé™ï¼Œè€ŒåŠ¨æ€å†·å†È”Ÿæˆçš„材料热传递效率更高，生长厚度没有限制ã€?/span>

“另外，˜qžç®‹æ—‹è{冷冻可以控制冰晶的äñ”生方向，调控气凝胶微观结构，颗粒直径极小的铝¼‹…酸盐借助冰晶的生长，被塑造äØ“(f¨´)理想的结构，生成了类似æ“v¾l늚„¾l“æž„åQŒâ€æŽ¼‚Šè¯´ã€‚之后，通过与中北大学副教授李伟伟合作进行计½Ž—流体动力学仿真åQŒä¹Ÿ¼‹®å®žè¯å®žäº†æ—‹è½¬å†·å†Õdœ¨åˆ¶å¤‡¼„Žå†°ä¸­ä½“现出高能量传递效率ã€?/span>

æ–°çš„¼„Žå†°åˆ¶å¤‡ä¸ä»…速度快，不易发生颗粒沉降åQŒè¿˜åšå‡ºäº†ä¼ ¾lŸæ–¹æ³•éš¾ä»¥è¾¾åˆ°çš„大型ž®ºå¯¸ã€?/span>

伍晖希望˜q™ç§æŠ€æœ¯èƒ½è¢«æ›´å¤šäh应用åQŒåŠ å¿«å¸‚场推òq¿ï¼Œè€Œä¸”˜q™ç§åˆ¶å¤‡å·¥è‰ºå…·å¤‡ç›¸å®¹æ€§ï¼Œå¯ä»¥æ‹“展到聚丙烯腈纳¾c³çº¤¾l´ã€èŠ³¾U¶çº³¾c³çº¤¾l´ã€çº¤¾l´ç´ ¾U³ç±³¾U¤ç»´å’Œç¢³¾U³ç±³½Ž¡ç­‰ææ–™åQŒå…·æœ‰è¾ƒé«˜çš„应用价倹{€?/span>

“防火墙”阻断自�/span>

ç”?sh¨´)动汽èžR的飞速发展始¾lˆç»•ä¸å¼€ä¸€ä¸ªå®‰å…¨é—®é¢˜â€”—电(sh¨´)池爆燃。仅2021òqß_(d¨¢)¼Œä¸­å›½ž®±å‘生了3000多è“v的电(sh¨´)动汽车è“v火事故。电(sh¨´)æ± è“v火是ç”?sh¨´)动汽èžR自燃最主要的原因，å¯ÆD‡´ç”‰|± çƒ­å¤±æŽ§çš„æ ÒŽ(gu¨©)ºæ˜¯ç”µ(sh¨´)池内部一¾pÕdˆ—复杂且相互关联的â€?/span>é“‘Ö¼å‰¯ååº?span lang="EN-US">â€?/span>åQŒä»Žå±€éƒ¨çŸ­è·¯åˆ°å¤§é¢¿U¯çŸ­è·¯ï¼Œçƒ­å¤±æŽ§ä¼ æ’­åƒå¤šç±³è¯ºéª¨ç‰Œå€’塌一栯‚¿…速蔓延到整个¾pȝ»Ÿã€?/span>

为此åQŒéš”热性能å‡ÞZ¼—的气凝胶被引˜q›åˆ°ç”‰|± åŠ¨åŠ›åŽ‚商åQŒäØ“(f¨´)每个独立的电(sh¨´)池安装“防火墙”。是不是真能é˜ÀL–­â€œé“¾å¼å‰¯ååº””，李磊模拟了一‹Æ¡ähä¸ø™¯±å¯¼çƒ­å¤±æŽ§ä¼ æ’­˜q‡ç¨‹ã€?/span>

实验室里åQŒæŽ¼‚ŠäØ“(f¨´)4块满充状态的53Ah三元八系高镍动力甉|± éƒ½è£…备了­‘…è–„â€?/span>防火å¢?span lang="EN-US">â€?/span>åQŒåŠ çƒ­æ¿æŠŠæœ€å¤–层的电(sh¨´)池加热到200â„?/span>åQŒè¿›è€Œå¼•å‘了甉|± å†…部短èµ\åQŒæ¸©åº¦æœ€é«˜å‡è‡?span lang="EN-US">875â„?/span>åQŒä¼´éšç€ç”?sh¨´)压消失åQŒç”µ(sh¨´)池逐渐膨胀åQŒé‡Šæ”¾æµ“烟布满了整个实验室，火星朝着周围溅射åQŒåœ¨¾U¢å¤–相机å’?span lang="EN-US">8个测量温度的热电(sh¨´)偶的见证下，被气凝胶保护èµäh¥çš„相é‚?c¨¨)”?sh¨´)池的开路电(sh¨´)压始¾lˆä¿æŒç¨³å®šï¼Œè¡¨é¢æ¸©åº¦æœªè¾¾åˆ°çƒ­å¤±æŽ§ä¼ æ’­çš„触发温åº?span lang="EN-US">200 â„?/span>。而没æœ?span lang="EN-US">â€?/span>防火å¢?span lang="EN-US">â€?/span>的电(sh¨´)池在同样的试验条件下被逐个点燃ã€?/span>

李磊è¯ß_(d¨¢)¼Œä»Žæˆåˆ†çœ‹åQŒé™¶ç“ïL(f¨¥ng)º¤¾l´æˆåˆ†æ˜¯é“ç¡…酸盐åQŒæœ¬íw«å°±æœ‰å…·æœ‰é«˜çƒ­ç¨³å®šæ€§å’ŒåŒ–å­¦½E›_®šæ€§ï¼Œä¸æ˜“èµïL(f¨¥ng)«ã€‚从疲劳‹¹‹è¯•¾l“果来看åQ?span lang="EN-US">1000‹Æ¡åŽ‹¾~©åó@环后也没有明显损坏，在承å?span lang="EN-US">30%è‡?span lang="EN-US">90%的压¾~©åº”变后可以完全恢复到原始状态。从甉|± ç‡ƒçƒ§å®žéªŒ¾l“果看，5毫米厚的陶瓷¾U¤ç»´æ°”凝胶可以完全阻止破坏性热失控传播åQŒè€Œä¸”它的低密度特性，几乎没有¾l™æ•´ä¸ªç”µ(sh¨´)动系¾lŸå¢žåŠ è´Ÿæ‹…ã€?/span>

实验室äñ”出的­‘…细陶瓷¾U¤ç»´é•¿æœŸè€æ¸©æ€§äØ“(f¨´)1200â„?/span>åQŒåœ¨­‘…çñ”¾lçƒ­ææ–™ä¸­æœ€é«˜ï¼Œ˜qœé«˜äºŽç”µ(sh¨´)æ± è“v火时800â„?/span>的温度ã€?/span>

伍晖表示åQŒä»Žç‰ÒŽ(gu¨©)®Šé¢†åŸŸå†åˆ°å¯Õd¸¸ç™‘Ö§“å®Óž¼Œé«˜ç«¯ææ–™çš„æ™®å?qi¨¢ng)和量äñ”需要从实验室走出来åQŒåº”用在国民¾læµŽçœŸæ­£éœ€è¦çš„地方。面向未来，åŸÞZºŽé™¶ç“·¾U¤ç»´çš„绝热材料可以äØ“(f¨´)应对ç”늽‘储能¾pȝ»Ÿçš„安全挑战，开发先˜q›è½»é‡åŒ–甉|± ¾pȝ»Ÿæä¾›æ›´å¤§å¸®åŠ©ã€?/span>

李磊从博士后的经历学åˆîCº†åQŒéœ€è¦è·¨å­¦ç§‘的眼光和思考，时不时“革”自å·Þqš„命。一份自我评仯‚¿˜ä¸é”™çš„成果，作äØ“(f¨´)自己博士后经历的¾Uªå¿µåQŒæŽ¼‚Šæ”¶æ‹‘Ö¥½å¿ƒæƒ…回到了攻è¯Õdšå£«çš„母校北京理工大学åQŒå¼€å¯äº†å‘½é¢˜ã€å¯å‘、破题的下一个轮回ã€?/span>