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）

智慧港口聚力数字技术创新未来******

　　作为联通全球经济的重要基础性行业，航运业承担着全世界90%以上的贸易运输。一方面，百年变局叠加世纪疫情，航运业面临多重挑战，数字化成为实现降本增效的必然选择；另一方面，航运业拥有丰富的数字化场景资源，通过智慧港口建设赋能航运业，数字技术也迸发出巨大的新活力。在航运业与数字技术深度融合的大趋势下，筑牢智慧港口数字底座成为业界共识。

　　构建智能水平运输系统

　　在建成全球首个“智慧零碳”码头的天津港，一辆辆智能水平运输机器人正在井然有序地装卸货物；码头调度室的大屏上，一组组数据显示着当前码头的运转情况。工作人员介绍说，码头以前是力气活，大型设备上、码头边、集卡车里都需要人。现在整个码头装卸作业基本看不到人了，全是自动化操作。

　　据天津港第二集装箱码头有限公司总经理杨荣介绍，“智慧零碳”码头项目建设过程中遇到的最大现实需求与挑战来自于水平运输系统。在扇形水平运输的工艺下，会人为形成复杂交通流的路口，甚至可能会出现八向车流在同一路口交汇的情况，需要基于所有的多任务的优先级路线分配以及交通流量的全分配。此外，包括人机交互区域的安全问题、缓冲区并行的交通控制和车路协同问题等，都成为自动化集装箱码头破局的关键。

　　为了解决这些问题，天津港携手华为打造了首个面向L4级无人驾驶的智能水平运输系统，有效解决了交通过程中出现的解耦等问题。此外，这一系统还面向不同供应商的无人驾驶产品提供了良好的兼容性。目前这一系统已安全稳定运行了长达一年的时间，运达数与可靠性都达到了国际先进水平。

　　在全球单体规模最大、智能化程度最高的集装箱码头——上海洋山港四期自动化码头，操作员在百公里外推动手柄即可操控码头桥吊、轨道吊等设施，时延仅为百微秒。这是上港集团联合华为首次将F5G（第五代固定网络）技术应用在港口超远程控制作业场景，实现智慧港口运营模式升级。

　　“远程操控系统已经成为港口改造的重要组成部分，F5G技术的出现恰逢其时地解决了港口的远程操控问题。”上港集团哪吒港航智慧科技（上海）有限公司总经理黄桁介绍，“通过首次在港口应用F5G技术，我们搭建了整个港口的全光网高速公路，使得设备时延降到微秒级，未来这个高速公路将不仅仅提供远程操控，也将承载数据管理与传输等重要工作，为大规模的计算和新技术的应用提供广阔的平台。”

　　华为公路水运口岸智慧化军团CTO岳坤表示，没有人再怀疑新建码头要做自动化和智能化，现有码头的自动化和智能化改造也提上日程，水平运输的自动化则是当前自动化码头建设或改造中的重点和难点。随着5G和无人驾驶技术的日益成熟，加之港口又是典型的封闭和低速运营场景，因此利用5G网络+无人驾驶IGV（智能导引车）来实现港口的水平运输自动化就成为集装箱码头全流程自动化作业建设的行业趋势。

　　夯实智慧港口安全基石

　　随着航运业积极开展数字化转型，安防、远程控制、水平运输、业务协同等行业应用与联接、云、计算、AI、5G等ICT（信息与通信）技术正加速走向协同，ICT基础设施已逐步成为港航企业的核心生产系统之一。

　　在业界专家看来，要实现全球航运业数字化转型，依然面临不少挑战，其中之一是大数据互联互通问题。在整个航运业营运过程中会产生大量数据，但是各方信息系统差异较大，存在“不愿共享、不会共享、不敢共享”等顾虑，目前还无法实现更有效的数据交换与联通。更为重要的是数字化的网络安全问题。从2017年马士基受到网络攻击开始，航运业就成为网络攻击的重点目标。虽然整个行业对此关注度很高，也投入了不少成本和精力，但伴随着数字化加速，网络攻击的风险也在增加，亟须夯实安全基石。

　　据杨荣介绍，为了进一步提升可靠性与安全性，天津港“智慧零碳”码头项目采用了华为提供的数据底座，整个云平台以及设施和管理的相关数据都会汇集到数据库里，通过云与数据底座拉通数据，支撑所有不同的系统正常运转。在真实的攻防演练行动中，码头的主机被列为攻击目标，在长达15年的模拟真实攻击时长中都未出现被攻破的情况，这一系统的可靠性与安全性甚至优于一些银行和医院，其数据安全性可见一斑。

　　“由于自动化码头的远程操控时延要求非常低，如果为安全问题增加一些标准与规则可能会严重影响到生产效率。”黄桁表示，如今在F5G智简全光网的部署与实施下，不仅能够天然免疫ARP攻击（局域网最常见的一种攻击方式），也加快了信息连接传输过程中加密解密的速度。

　　值得注意的是，根技术安全是筑牢智慧港口数字底座的应有之义。对此，岳坤认为，要用先进替代先进。第一个先进指技术领先，第二个先进指先进来这个领域。经过这几年持续的研发投入，华为可以提供全栈先进的自主可控方案，包括鲲鹏、欧拉、高斯等系列软硬件自主可控平台，已经在各行业得到广泛的应用。据工信部的数据，仅欧拉操作系统就装机超过了170万台服务器。华为与山东港、上海港、中运海运等港航企业已经在安全防护、国产化、人工智能算力中心等方面开始探索，助力港航企业打造全栈安全的数智基座。

　　引领智慧航运创新未来

　　在近日举行的“ICT新技术使能智慧港口，释放行业数字生产力”论坛上，交通运输部水运局副局长柳鹏表示，随着新一轮科技革命和产业变革的深入发展，未来五年是加快建设世界一流港口的关键时期，也是重要机遇期。

　　面对重大产业机遇，今年1月国家发改委印发的《“十四五”现代流通体系建设规划》提出，全面推动智能航运建设，打造智慧港口，提升港口装卸、转场、调度等作业效率。国内各大港口也加快了转型升级步伐。据杨荣介绍，今年10月，天津港“智慧零碳”码头吞吐量突破了100万标准箱，打造的“中运海运天秤座”号集装箱货轮，船时效率达到了一年百万标准箱，今年即可实现当年投产当年盈利。洋山港四期自动化码头相关技术负责人也透露，未来将建立全域智能化管控系统，将云计算、大数据、人工智能等技术手段结合起来，实现安全监督更精准、设备维保更智能、生产作业更高效、港口生产更环保，真正推进自动化码头向智慧化码头落实落地。

　　今年8月18日，“智慧港口全球创新实验室”在天津揭牌。这个由华为、天津港等行业头部企业与多家知名高校、科研院所联合成立的创新实验室，将打造从“技术攻关”到“应用落地验证”及“商业价值”产学研用的完整闭环，推动港口产业数字化创新。“目的是打造一个行业连接器，通过这个实验室，我们希望能共同解决行业的难题，形成行业的标准，树立行业的样板，共同做强做大智慧港口。”岳坤表示。

　　日前举行的2022华为全联接大会期间，华为还发布了智能闸口、智能理货、F5G远控自动化等智慧港口解决方案及5G智能单兵、察打一体融合指挥等智慧口岸方案。

　　“当前，数字化、智能化已经成为各个行业的趋势。将数字技术与基础设施相融合，推进新型基础设施建设，是推动行业发展的重要路径。”华为公路水运口岸智慧化军团CEO马悦表示，“未来，华为公路水运口岸智慧化军团将持续加强在联接、计算、人工智能等领域的投入，在技术架构和工程实现上持续创新，与行业客户、伙伴一起，聚焦智慧港口ICT新技术应用，释放数字生产力。”（经济参考报记者 吴蔚）