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）

AI生成技术撼动艺术界 “魔法头像”让人欢喜让人忧******

　　【科技创新世界潮】

　　2022年似乎是人工智能(AI)突破性的一年，许多创新的AI产品投入市场。其中最受欢迎的产品之一是照片编辑应用程序Lensa，它能让用户创建类似动漫的数字肖像，该功能被称为“魔法头像”。近一段时间以来，Lensa凭借这些受欢迎的头像已跻身全球应用程序商店榜首，不仅如此，它在艺术界同样也成为了热门话题。

　　是什么让Lensa脱颖而出

　　这款于2018年发布的应用程序提供了一系列照片润色功能，例如，可通过使用滤镜和消除“瑕疵”来使自拍看起来更漂亮。最新版本的应用程序更新了“魔法头像”新功能。

　　用户通过手机上传10—20张脸部照片并支付一定费用，就能“委托”Lensa制作多达200张风格各异的AI肖像。

　　美国创业公司Stability AI今年8月开源了一个名为“稳定扩散”(Stable Diffusion)的AI模型，它可根据用户给定的文本生成对应的图像。根据美国在线科技杂志《How-to-Geek》的一份报告，它能让人们模仿不同的艺术风格，包括漫画、科幻、波普艺术和传统肖像画。而Lensa的这些肖像正是使用“稳定扩散”生成的。

　　澳大利亚《对话》杂志刊文称，如果“稳定扩散”是一个文本到图像的系统，那么Lensa似乎很不同，因为它接受的是图像，而非文字。这是因为Lensa最大的创新之一是简化了文本倒置的过程。

　　Lensa采用用户提供的照片，并将其注入“稳定扩散”的现有知识库，教系统如何“捕捉”用户的特征，以对其进行风格化处理。

　　使用者担忧隐私泄露

　　虽然“魔法头像”是一个有趣且令人印象深刻的功能，但它引发了人们对个人隐私和肖像权的担忧。人们担心该程序可能会在未经自己许可的情况下，通过将自拍作为AI模型的输入来创建个人的面部肖像。

　　此外，一些人质疑这款应用的价格，它要求最低支付6美元，或每年支付53.99美元才能使用个人照片创建AI图像。还有人担心，用户实际上是在花钱训练面部识别AI，并放弃了私人数据。

　　此外，该应用程序的创建者普里斯玛实验室此前曾因意外生成裸露的色情图片而陷入舆论旋涡，尽管该应用程序的政策是“禁止裸体”和“仅限成人”。该公司首席执行官表示，只有在AI被故意引导创建此类内容的情况下，才会发生这种行为，这违反了应用程序的使用条款。然而，正如美国科技类博客TechCrunch的报告中所述，一些人表达了对该应用程序被滥用的可能性以及它可能对用户的自我形象和身体形象产生影响的担忧。

　　除了存在非主动意愿生成色情内容的风险外，还有人担心AI可能被用来制造政治错误信息和扰乱教育。总体而言，Lensa AI应用提醒人们，AI技术仍处于实验阶段，如果监管不当，可能会产生意想不到的后果。

　　艺术家担心版权问题

　　Lensa AI应用程序及其“魔法头像”功能的流行，还引发了艺术家们的担忧，他们担心AI图像生成器的大范围使用会让他们丢掉饭碗。

　　根据美国媒体Futurism的报告，这种机器学习模型是在未经同意的情况下对图像进行训练的，个人或艺术家无法选择退出数据集。

　　然而，《对话》杂志文章表示，Lensa生成的图像借用了其他艺术家作品的创意，但不包含他们作品的任何实际片段。澳大利亚艺术法律中心明确指出，虽然单个艺术品受版权保护，但其背后的风格元素和理念却难以纳入保护范围。

　　西班牙漫画家兼插画家迪亚兹表示，AI只是将现有的东西进行非常空洞的混合。“如果你仔细观察，就会发现它背后没有任何意识。我真的希望人们能够理解我们(艺术家)在创作某些东西时所做的事情……希望人们会期待人类艺术。”

　　迪亚兹说：“我不反对人工智能，如果它是我们可以使用的工具，并且人们学会重视我们在工作中投入的东西，我认为它会很好。”

　　艺术的未来何去何从

　　《对话》杂志文章认为，虽然AI艺术模型在过去5年里取得了巨大进步，但它仍需要面对很多挑战。虽然它们作品中的文字是可识别的，但往往是无意识的。

　　还有一个明显的制约因素，那就是这些模式只能产生数字艺术。AI不能像人类那样用油彩或粉笔工作。就像黑胶唱片卷土重来一样，技术最初可能会创造出一种新的形式，但随着时间的推移，人们似乎总是会回到最高质量的原始形式。

　　最终，正如之前研究发现的那样，目前形式的AI模型更有可能成为艺术家的新工具，而不是创造性人类作品的数字替代品。例如，以AI生成的一系列图像作为起点，然后由人类艺术家进行选择和改进。这结合了AI艺术模型的优势(快速迭代和创建图像)和人类艺术家的优势(对艺术品的愿景，并克服了AI模型的问题)。这在需要特定输出的委托艺术的情况下尤为如此。

　　此外，还需要思考的是，选择不使用AI的艺术家可能无法跟上受AI加持的艺术家的脚步，而被时代抛弃。(科技日报 实习记者张佳欣)