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重大進(jìn)展！氣凝膠可能成為未來太赫茲技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵
文章來源：新能源網(wǎng)     更新時間：2024-03-12 16:24:02
瑞典林雪平大學(xué)的研究人員在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項研究報告稱，他們在太赫茲波技術(shù)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。他們證明，太赫茲光通過由纖維素和導(dǎo)電聚合物組成的氣凝膠時，其傳輸速度可以調(diào)整。這項研究成果為提高先進(jìn)醫(yī)療成像和通信等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了巨大希望，凸顯了高頻太赫茲波的廣泛潛力。



什么是太赫茲波？



太赫茲技術(shù)是一種利用太赫茲波進(jìn)行通信、探測、成像、光譜等應(yīng)用的技術(shù)。太赫茲波是指頻率在0.1 THz到10 THz范圍的電磁波，波長大概在0.03 mm至3 mm之間。太赫茲波具有一些獨特的特性，如透視性、安全性、光譜分辨能力等，使得它在醫(yī)療、安檢、通信等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。



氣凝膠是用水溶液制造的，不需要復(fù)雜的制造程序，因此很有希望以低成本實現(xiàn)大規(guī)模可持續(xù)生產(chǎn)。



太赫茲波段的波長介于電磁波譜中的微波和紅外線之間。它的頻率非常高。因此，許多研究人員認(rèn)為，太赫茲波段在太空探索、安全技術(shù)和通信系統(tǒng)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。在醫(yī)學(xué)成像方面，太赫茲還可以替代 X 射線檢查，因為太赫茲波可以穿過大多數(shù)非導(dǎo)電材料，而不會損壞任何組織。



氣凝膠可通過簡單的化學(xué)修飾獲得高疏水性。然而，在太赫茲信號得到廣泛應(yīng)用之前，還有一些技術(shù)障礙需要克服。例如，難以有效地產(chǎn)生太赫茲輻射，需要能夠接收和調(diào)節(jié)太赫茲波傳輸?shù)牟牧稀?/span>



太赫茲波調(diào)制技術(shù)取得突破



林雪平大學(xué)（Linköping University）的研究人員現(xiàn)已開發(fā)出一種材料，其對太赫茲信號的吸收可通過氧化還原反應(yīng)開啟或關(guān)閉。這種材料是一種氣凝膠，是世界上最輕的固體材料之一。



"它就像是太赫茲光的可調(diào)濾波器。在一種狀態(tài)下，電磁信號不會被吸收，而在另一種狀態(tài)下，則可以被吸收。"林雪平大學(xué)有機電子實驗室（LOE）的博士后陳尚志說："這種特性對于來自太空的遠(yuǎn)距離信號或雷達(dá)信號非常有用。"



林雪平的研究人員使用導(dǎo)電聚合物 PEDOT:PSS 和纖維素來制造氣凝膠。他們在設(shè)計氣凝膠時還考慮到了戶外應(yīng)用。它既能防水（疏水），又能通過陽光加熱自然解凍。



與其他用于制造可調(diào)材料的材料相比，導(dǎo)電聚合物具有許多優(yōu)勢。除其他優(yōu)點外，導(dǎo)電聚合物還具有生物相容性、耐用性和極強的可調(diào)諧性。可調(diào)諧性來自于改變材料中電荷密度的能力。與其他類似材料相比，纖維素的最大優(yōu)點是生產(chǎn)成本相對較低，而且是一種可再生材料，這對于可持續(xù)應(yīng)用至關(guān)重要。



LOE 博士后匡朝陽說："太赫茲波在較寬頻率范圍內(nèi)的傳輸可在約 13 % 到 91 % 之間調(diào)節(jié)，這是一個非常大的調(diào)制范圍。"



主要國家開發(fā)出多種新型氣凝膠材料



氣凝膠的制備工藝主要分為兩步：一是通過溶膠-凝膠過程制備凝膠；二是利用一定的干燥方法將凝膠內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)替換為氣態(tài)，從而制得氣凝膠。干燥過程又分為超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥、常壓干燥等方法。其中，溶膠-凝膠過程是制備氣凝膠最核心的過程，直接決定了氣凝膠的各種微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，包括水解和縮聚兩個步驟。



近年來，中美歐等國研究人員通過改進(jìn)氣凝膠制備工藝，開發(fā)出生物基氣凝膠、石墨烯氣凝膠、聚合物氣凝膠等多種新型氣凝膠材料。美國科羅拉多大學(xué)的研究人員利用啤酒釀造工業(yè)的廢棄物作為培養(yǎng)基，使用由醋酸桿菌制備出的細(xì)菌纖維素，通過超臨界干燥法等方法制備出一種細(xì)菌纖維素氣凝膠材料，具有低熱導(dǎo)率的特征。法國國家科學(xué)研究中心的研究人員采用與傳統(tǒng)制備工藝不同的水熱處理法制備出單寧基碳?xì)饽z，具有較高的比表面積和比電容量。



山東大學(xué)的研究人員成功制備出一種高性能的偕胺肟基修飾的環(huán)糊精/石墨烯氣凝膠，其對海水中鈾表現(xiàn)出較強親和力和選擇性，在天然海水中具有出色的鈾提取能力，21天即可實現(xiàn)19.7mg/g的鈾吸附量。中國四川大學(xué)的研究人員利用雙向取向的碳?xì)饽z復(fù)合多壁碳納米管，開發(fā)出能夠在極端溫度下保持功能性和超彈性的新型聚合物氣凝膠材料，其可在-196℃至500℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)揮作用。



氣凝膠材料的主要應(yīng)用



氣凝膠具有極低密度、超高孔隙率、低折射率、低熱導(dǎo)率、低聲阻抗等特性，這是一般固態(tài)材料所不具備的。這些特性使其在隔熱保溫、生物醫(yī)學(xué)、隔音、吸附等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。



（一）隔熱保溫領(lǐng)域



氣凝膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，是目前已知的隔熱、保溫性能最好的材料。NASA曾對多孔材料、泡沫材料、相變材料、氣凝膠材料等多種材料的隔熱效果、質(zhì)量、材料柔性、力學(xué)強度、厚度等性能進(jìn)行綜合對比，發(fā)現(xiàn)氣凝膠不僅具有良好的綜合性能，而且兼具更加優(yōu)異的保溫隔熱性能，可作為宇航服的候選材料。此外，氣凝膠材料在節(jié)能窗、屋面太陽能集熱器、保溫涂料等民用領(lǐng)域，以及飛機黑匣子、戰(zhàn)斗機機艙隔熱層等軍事領(lǐng)域中也有廣泛應(yīng)用。



（二）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域



氣凝膠材料具備生物相容性、合適的機械性能、生物可降解性等特性，已應(yīng)用于可植入醫(yī)療器械、非侵入成像、骨接枝和生物傳感器等領(lǐng)域。此外，氣凝膠材料還可被制備成微球用于藥物緩釋，以達(dá)到向靶細(xì)胞靶向控制釋放藥物的功能，具有潛在應(yīng)用價值。



（三）隔音領(lǐng)域



氣凝膠材料不僅具有極大的內(nèi)表面積，可使聲波在其內(nèi)表面上進(jìn)行多次反射而衰減，而且具有極高孔隙率，其表面的納米級孔道使得空氣黏性流動的速度與空氣分子的Knudsen擴散速度相接近，以此消耗掉一部分通過空氣傳播的聲能，達(dá)到良好的隔音效果。



（四）吸附領(lǐng)域



氣凝膠材料具有極高孔隙率，可對有機物進(jìn)行有效的吸附，還可以用來除去金屬離子。與傳統(tǒng)方法相比，利用碳?xì)饽z進(jìn)行電吸附除去溶液中的金屬離子具有減少二次污染、節(jié)能、可再生的優(yōu)勢。此外，改性后的氣凝膠材料還可對特定物質(zhì)進(jìn)行選擇性吸附，如將四乙烯五胺負(fù)載在二氧化硅氣凝膠中，可對二氧化碳進(jìn)行高效吸附。



氣凝膠材料的未來研究方向



氣凝膠材料種類多樣，合成工藝逐漸形成體系，但是目前針對氣凝膠的研究依然存在一些問題：氣凝膠高溫條件下熱導(dǎo)率增長較快；相對于金屬材料而言，氣凝膠整體的機械強度還是較弱；氣凝膠與纖維等增強基體材料的黏結(jié)性差；氣凝膠的生產(chǎn)過程中會用到許多有機溶劑，造成環(huán)境污染，不利于大規(guī)模生產(chǎn)；氣凝膠難以回收利用，不利于可持續(xù)發(fā)展等。



氣凝膠未來的研究方向和發(fā)展趨勢主要集中在開發(fā)纖維素氣凝膠、石墨烯氣凝膠、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氣凝膠、非金屬單質(zhì)氣凝膠等新型氣凝膠材料；通過采用不同的前驅(qū)體、優(yōu)化合成方法和改變加強體等方法調(diào)控氣凝膠結(jié)構(gòu)；擴展氣凝膠應(yīng)用領(lǐng)域等。

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來源：賢集網(wǎng)
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