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）
甘肃张掖：职业教育为乡村振兴增添新引擎******
甘肃张掖紧盯区域经济社会发展需求建专业、做培训、促产业——
职业教育为乡村振兴增添新引擎
“嗨哟嗨，嗨哟哈，高里提，低里撒，一夯一夯往瓷里砸……”欢快悠扬的歌声从甘肃省张掖市民乐县职业教育中心学校农村非物质文化遗产传承工作室教学传来，即将参加2023年市级职业技能大赛非遗表演赛项的12名幼儿保育专业学生，在农村非物质文化遗产传承人黄啸生指导下集训。
借助音乐教学，黄啸生将民乐民歌和非遗“打夯歌”“顶碗舞”等技艺技能引进校园。近年来，张掖把发展职业教育作为赋能乡村振兴的重要抓手，紧盯全市经济社会发展需求，持续深化普职融通、产教融合、校企合作，促进教育链、人才链与产业链、创新链有效衔接，让职业教育为乡村振兴赋能鼓劲。
培黎职业学院现代化农业专业授课现场。张掖市教育局供图（资料图片）
建强实训专业，培养能工巧匠
“配置营养液的水质偏软为佳，重金属元素不能超标……”培黎职业学院教师袁玉涛站在一片生长茂盛的芹菜旁，身边围着10多名神情专注的学生。
这是无土栽培技术实训课程的现场。放眼望去，大棚里水培区、土培区、育苗区井然有序，种植了辣椒、西葫芦、草莓等。“这都是学生自己种的。”袁玉涛说。
走进张掖市职教中心臻技楼一楼的数控加工实训中心，机声隆隆，一派繁忙，30余台设备正在高速运转，学生们在进行数控加工实操。
2020年，张掖投资新建培黎职业学院、张掖市职教中心。目前，张掖市职教中心已建成实训楼3幢、专业实训室86个、实训工位2152个，开设了18个专业。3年来，培黎职业学院开设现代农业、大数据等16个专业，建成五大类38个现代化实训室。
张掖是农业大市，现代农业技术人才需求旺盛。据统计，张掖市职业院校85%以上的学生来自农村。针对涉农职业教育学生招不来、下不去、留不住、用不好等问题，张掖加强涉农专业建设，建成设施农业生产技术、现代农艺技术等5个农林牧渔类专业，7所中职学校建成十三大类36个专业，创建省级骨干专业7个，形成了以先进制造、文化旅游、汽车维修、循环农业为主的四大专业集群，建立起了契合乡村产业发展新需求的专业体系。
开展精准培训，激活人才引擎
初冬时节，在高台县职业中专实训中心，教室里电光四溢、饭菜飘香，焊接、烹调技能培训正在火热进行。
培训教师边操作边讲解，为学员们手把手传授技术。“利用冬闲时节掌握一门手艺，以后我们出门打工也更好找工作了。”参训学员们纷纷表示。
高台县职业中专利用师资设备优势，积极承担职业技能培训，涉及中式烹调师、中式面点师、保育员、焊工等多个工种。
近年来，聚焦全省十大生态产业和全市重点产业、重大项目用工需求，张掖各职业院校面向农村转移就业劳动者、下岗失业人员、退役军人、残疾人等，免费开展就业技能培训和创业培训。
同时，各职业院校和培训机构发挥自身优势，结合乡村发展的多种新业态、农牧技术推广应用和农村实用技术等，年均培训2.5万人次，培养了大批乡土人才，推动职业教育与现代农业、生态旅游等产业深度融合。
聚焦惠农科研，助力产业提升
“从培养皿中快速取出马铃薯脱毒种薯苗，用剪刀精准将株苗头、颈分离，再迅速装入另外一个培养皿中。”这是培黎职业学院乡村振兴创新研究院与甘肃天润薯业共建的马铃薯脱毒种薯创新研究中心，正在开展培训的一个场景。
2022年，培黎职业学院成立乡村振兴创新研究院，开展“三农”领域理论研究与智库服务，大力培养乡村振兴人才，紧密服务乡村产业发展和乡村建设需求。
学院通过校企合作模式，以马铃薯种薯创新研究中心、马铃薯脱毒种薯繁育基地和专业教师团队为依托，不断强化校企双方人才培养、科技创新，生产微型薯83万粒，有力提升了马铃薯原种生产效益和区域内马铃薯良种覆盖率，直接经济效益达25万元。
近年来，张掖探索科教融汇，鼓励高职院校联合地方、行业、骨干企业共建技术技能创新平台、技术转移机构、科技企业孵化器、众创空间，为推动科技成果转化、培养多样化人才奠定了基础。
“以现代农业技术、种子生产与经营等现有专业为重点打造智慧农业专业群，源源不断培养懂技术、善经营、会管理的涉农人才，让职业教育成为助推全市乡村全面振兴的新引擎。”张掖市教育局党组书记、局长殷大斌说。（本报记者 郑芃生 通讯员 王思敏）
