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不可思议的FOAM:握在手中的蓝天(连载之三)

然而,二氧化硅气凝胶放在暗色前又显然是蓝色的,它的成分和玻璃一样,照理不该有任何颜色。科学家多年来一直百思不得其解,后来终于找到答案,这答案也没有让人失望,同样很怪。

太阳光穿透地球大气层时会击中许多分子(主要为氧和氮),并且像弹珠一样从这些分子身上反弹,这个现象称为散射。也就是说,晴天时往天空看,阳光会在大气层里反弹多次才进入大家的眼睛。如果阳光散射均匀,天空看起来就会是白色的,可是不然。因为短波长的光比长波长的光更容易散射,这使得天空中蓝光比红光和黄光反弹更多,所以,当大家仰望天际,见到的不是白色天空,而是蓝天。

这个现象称为瑞利散射,这个散射的量非常小,必须聚积大量气体才能看得见。因此在天空中可以看见这个现象,而只靠房间里的空气则不行。换句话说,一小块天空不会呈现蓝色,整个大气层才会。不过,当少量空气被透明物质封住,而这个物质又有数以百亿计的微小表面,那么透明物质内部的瑞利散射量,就足以改变入射光的颜色。二氧化硅气凝胶的结构正是如此,所以才会呈蓝色。手里拿着一块气凝胶,其实就等于握着一大片天空。

气凝胶材料还有其他有趣的性质,其中最神奇的就是隔热,也就是它能阻绝热的传导。气凝胶的隔热效果非常惊人,就算底下放一盏煤气灯,上头放一朵花,几分钟后花朵依然芬芳如故。

双层玻璃的原理就是在两片玻璃之间保留空隙,让热难以传导。不妨把玻璃中的原子想象成摇滚演唱会的观众,所有人挤在一起舞动身体。音乐越大声,观众跳得越起劲,彼此的碰撞也越频繁。玻璃内部也是如此,受热越多,原子振动越剧烈,而物体的温度其实就是原子振动的幅度大小。不过,由于双层玻璃之间有一道空隙,使得其中一面玻璃的原子振动很难把能量传导到另一面玻璃去。当然,隔温是冷热不分的,双层玻璃可以用在北极让建筑保持温暖,也能用在迪拜把炙热阻绝在建筑之外。

双层玻璃虽然有效,却仍会损失大量热能,住在酷热或严寒地区的人只要看一下电费账单就一定晓得。能改善吗?呃,大家当然可以使用三层或四层玻璃,只要增加玻璃以阻挡热传导即可。但玻璃很厚实,增加玻璃层数会变得笨重,透明程度也会降低。这时就轮到气凝胶上场了。因为它是发泡材料,等于亿万万层玻璃和空气,所以隔热效果惊人。契史特勒发现气凝胶有隔热和许多其他特性,便在投稿的论文结语中写道:“上述观察除了深具科学意义,气凝胶带来的新物理性质也很有意思。”

的确很有意思。契史特勒发现了世界上最好的绝热体。

科学界对他的发现短暂赞赏过一阵子,随即忘得一干二净。20世纪30年代,科学家还有其他事情要做,很难判断哪些发明会改变世界,哪些会被遗忘。契史特勒发明气凝胶的1931年,物理学家鲁斯卡做出了全世界第一台电子显微镜。契史特勒投稿的那一期《自然》里,诺贝尔奖得主物理学家小布拉格发表了晶体内电子衍射的文章。这些科学家发明了视像化的观测工具,让大家得以了解物质和材料的内在结构。这是16世纪光学显微镜发明以来,人类再次发明显微镜,而新的微观世界也就此展开。材料科学家立即开始探索金属、塑料、陶瓷和细胞的内在构造,从原子和分子层面了解这些物质。那是段令人振奋的时光,材料界突飞猛进,科学家很快就做出了尼龙、铝合金、硅芯片、玻璃纤维和许多革命性的新材料。气凝胶就这么消失在众声喧哗中,被所有人遗忘了。

只有一个人还记得,就是契史特勒本人。他觉得胶体结构的美和隔热特性实在太特别了,应该,也必然在未来占有一席之地。虽然二氧化硅气凝胶跟玻璃一样脆弱易碎,但以它极轻的重量而言强度相当足够,显然有工业价值。于是他申请了专利,授权给一家叫作孟山都集团的化学企业生产,于1948年完成一种粉状的二氧化硅气凝胶,命名为山都胶(santoge1)。

作为世上最佳的绝热材料,山都胶似乎前途看好,只可惜生不遂时。20世纪50年代能源价格不断下滑,也没有发现全球暖化的问题。气凝胶造价太高,作为绝热材料一点也不实惠。孟山都在绝热材料市场铩羽而归,只好另辟蹊径,为山都胶在墨水和涂料市场找出路,因为山都胶有散光性,能让墨水和涂料变暗,创造出雾面效果。最后山都胶总算找到一份不大光彩的差事,就是充当绵羊用防蝇膏的増稠剂和“凝固汽油弹”的胶化剂。但由于20世纪60和70年代还有更低价的选择,使得山都胶连这么一小块市场都保不住,孟山都决定全面停产山都胶。契史特勒于1975年过世,生前始终无缘见到这种神奇无比的材料出人头地。

(未完待续)

本文摘自《迷人的材料》,该书编辑为马克·米奥多尼克 (Mark Miodownik),译者为赖盈满。

马克·米奥多尼克为伦敦大学学院材料科学教授,英国皇家工程学会学士,曾入选《泰晤士报》评选的“英国百大影响力科学家”。

马克·米奥多尼克教授乐于为大众讲解材料科学,且广受欢迎,曾担任多部纪录片的主持人,包括英国广播企业(BBC)第二台制作的《发明的天才》。

《迷人的材料》一书,讲述了10种改变世界的神奇物质和它们背后的故事,该书曾获得2014英国皇家学会科学图书奖、亚马孙2014年科学类选书和《物理世界》2014年推荐最佳科普书。

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