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）

关于新流行“无麸质饮食”那些你需要知道的事儿******

　　近年来，吃“无麸质饮食”越来越成为一种风潮，网上和超市中的各种“无麸质”食品也越来越多，甲状腺疾病患者、减肥人士、肠道不适人群、炎症反应高人群、湿疹人群和麸质过敏或不耐受人群等都建议避免麸质。一部分人发现，在避免麸质之后，真的变瘦了；有人发现改变饮食后，甲状腺抗体的水平的确下降了；还有人说皮肤的确好了一些，湿疹渐渐消失，腹胀等不良反应消失了，或者身体变得更有活力了。也有不少人觉得很难坚持，食物受限多、价格贵、心情压力大……那么到底要不要吃“无麸质膳食”？怎么吃？

　　知识点1

　　麸质是什么？吃什么含麸质多

　　所谓的麸质就是面筋蛋白，它是麦类食物中最重要的蛋白质组分。面筋蛋白和水亲和之后，可以形成庞大的连续性的面筋网络，具有特有的黏弹性结构，赋予了面食千变万化的迷人口感。面包之所以能保持膨松的孔状结构，面条之所以能拉成细丝，饺子皮之所以能拉伸不破，都是拜面筋带来的黏弹性所赐。总之面制品的筋力越强，对“麸质”敏感的人就越不适合吃。

　　很多朋友以为避免麸质就是要少吃粗粮，避免麸皮成分，大错特错了。“麸质”和麸皮、粗粮等概念，没有丝毫关系。和全麦粉相比，精白面粉的麸质成分更多。

　　小麦是食物中面筋蛋白(麸质)的主要来源，同时，大麦、黑麦、青稞等也能形成面筋结构。

　　稻米、小米、玉米、荞麦、藜麦等其他粮食的蛋白质不能形成面筋结构，所以它们不是麸质的来源。

　　知识点2

　　麸质为什么会带来麻烦

　　少数人对面筋蛋白有过敏反应，其中最严重的一种是“乳糜泻”，即谷蛋白敏感性肠病。这种病人食用含有面筋蛋白的食物之后会引发小肠黏膜损害和腹泻，造成严重的营养不良。

　　对于部分消化能力弱的人来说，很难把面筋蛋白的庞大网络完全破坏掉。未完全降解的面筋蛋白质片段，从受损的肠道黏膜进入血液之后，可能引发免疫反应，造成炎症反应上升，引来一系列不良反应。这种情况往往被归为“食物不耐受”反应。

　　同时，部分人在血液中可以测出面筋蛋白的IgG抗体，也被称为小麦慢性过敏，表现为形式多样的身体低度炎症反应导致的种种不适。比如莫名其妙地发胖、脑雾、皮肤黏膜炎症、湿疹、头疼、烦躁、腹胀、疲劳感、消化不良等等。由于这种不良反应并不一定是进食之后马上发生的，而是在此后两三天里先后表现出来的，也没有特异性，这些不耐受反应往往会被人忽略。

　　此外，食物不耐受反应往往还伴随着餐后的疲劳感、压力感，餐后心跳明显加快等情况。

　　知识点3

　　怎样知道自己有麸质不耐受反应

　　如果怀疑自己有这种情况，可以在一个月内暂时不吃所有面食，感受一下是否各种不适和生化指标有明显改善。如果没有改善，就说明自己的情况不是因为食用含面筋蛋白食物引起的。如果是，就继续不吃。

　　等半年后，再尝试重新少量引入这些食物。如果试探几次，都不再有不良反应了，那就可以继续吃了。如果仍有不良反应，那么就继续避免这些食物。

　　此外，可以去三甲医院变态反应科和营养科求诊，做相关测试，请医生帮助确认自己的情况，并给出是否需要停止食用含面筋食物的建议。

　　知识点4

　　哪些无麸质食材可以替代面食

　　不含有面筋蛋白的主食食材包括：

　　1.各种稻米(包括白色、红色、紫色、黑色的各种品种)；

　　2.小米、黍子(黏性品种就是大黄米)，包括黏性和无黏性的品种；

　　3.各种颜色的玉米；

　　4.藜麦、荞麦；

　　5.土豆、红薯、山药、芋头等薯类；

　　6.红小豆、绿豆、各种花色的芸豆、干豌豆、鹰嘴豆、羽扇豆等杂豆。

　　它们都可以替代面食作为主食食材的一部分。想吃面条的时候，可以用米粉、米线等来替代；想吃点心的时候，可以用无麸质替代版面粉来制作焙烤食品，或者用米糕、山药糕、芸豆卷、土豆泥等来替代。

　　知识点5

　　哪些含麸质的食物可少量吃

　　对于没有严重麸质过敏反应，只是为了改善健康状况而选择无麸质膳食的人来说，可以选择如下食物：

　　1.酱油、黄酱、甜面酱等。它们的制作原料中虽然含有小麦粉，但成品中蛋白质含量较低，且经过微生物的降解，已经失去了大分子网络结构。

　　2.燕麦片粥。燕麦本身面筋蛋白含量低于小麦、大麦，而且压片后煮成粥，因水分过高，籽粒天然结构也已破坏，很难形成连续性的面筋蛋白网络。故在确认没有不良反应的前提下，燕麦粥仍可食用。

　　3.酿皮。酿皮制作过程中分离除去了大部分蛋白质，故面筋含量较低。但额外给的面筋切块不能吃。不过，经过洗去蛋白质的处理，不仅蛋白质含量大幅度下降，而且损失维生素和矿物质，故这类食品的营养价值较低。

　　4.虾饺等小吃。它们有透明的外皮，使用的不是面粉，而是澄粉，也就是去掉蛋白质的小麦粉。其中维生素和矿物质含量也很低。

　　5.蛋糕、饼干和酥点。它们是用低筋粉制作的，面筋蛋白含量低于普通面食，而且加入了大量油脂，阻碍了面筋网络形成。主要问题是营养价值低，热量高，故不建议经常食用。

　　除了燕麦片之外，其他这些食物营养价值都不高，不能因为它们麸质含量低就经常食用，只能用来偶尔换换口味。

　　然而，有严重过敏反应的人，特别是乳糜泻患者，以上食物仍应尽量避免，少量尝试几次后，等待至少三天时间，证明没有不良反应之后再行食用。

　　也许正因为不能吃面食才能发现，人类居然如此过分依赖小麦做成的各种美食，其实没有它们，每天吃的食材品种可以更加丰富。大米小米混合饭搭配鱼肉蛋奶和各种蔬菜，也是可以很好吃的。

　　文/范志红(中国营养学会理事，中国科协聘科学传播首席专家)

　　(北京青年报)

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