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第22卷第12期2010年12月强激光与粒子束H I GH PO W E R L A S E R A N D PA R TI C I。
E B EA M SV01．22。
N o．12D ec．，2010文章编号：l O O l一4322(2010)12—289304间苯三酚一乙醛有机气凝胶的制备与表征。
杨潇h2，王朝阳2，付志兵2，张厚琼2，唐永建2，韦建军1(1．四川I大学原子与分子物理研究所。
成都610065I2．中国工程物理研究院激光聚变研究中心。
四川绵阳621900)摘要：以碳酸钠为催化剂，乙醇为溶剂，间苯三酚一乙醛为反应前躯体，经溶胶一凝胶、交联老化、二氧化碳超临界干燥制备出间苯三酚一乙醛(P A)有机气凝胶。
扫描电镜观察和N：吸附测试结果表明：气凝胶具有较高的比表面积，是一种连续nm级3维网络结构的多孔材料，其比表面积为1210m2／g，平均孔径为11nm。
与传统有机气凝胶相比，提高了比表面积。
一定程度上实现有机气凝胶的扩孔。
关键词：溶胶一凝胶；乙醛；有机气凝胶；I C F靶中图分类号：T Q l77f T K91文献标志码：A doi：10．3788／H PL P B20102212．28931989年美国L aw rence L i ve m or e国家实验室的Pekal a等人首次以间苯二酚和甲醛为原料，在碱性条件下成功制备出RF有机气凝胶，并将其碳化得到碳气凝胶[1]，开创了有机气凝胶材料研究的新局面。
气凝胶是一种新型的纳米、多孔、低密度、高比表面积(400～1100m2／g)材料，具有连续nm级3维网络结构，构成网络结构的颗粒直径及孔直径均为nm级L】。
3]。
在I CF靶研究中发现，结构和密度可调的有机气凝胶及其碳化产物(碳气凝胶)对液体氘一氚(nT)燃料有良好的浸润能力，使它有着广泛的应用前景14]。
目前，国际上已将有机气凝胶作为靶材料应用于强激光领域[5。
6]。
此外，气凝胶在超级电容器、保温材料等方面也具有广泛的应用前景H]。
玩出来的新材料——气凝胶潘晶晶;王京阳【摘要】作为一种诞生于20世纪初的材料,气凝胶本不属于最近发现的“新材料”,然而近年来在多个领域的频繁亮相,令公众对这种材料产生了浓厚的兴趣,大呼新奇.与此同时,由于报道角度的不同,这种材料无疑成为了“多面体”,给人以扑朔迷离之感.本文旨在以科普的笔调重塑气凝胶的形象,结合气凝胶的历史浅谈对这种材料的认识,以期澄清疑惑,加深理解.【期刊名称】《自然杂志》【年(卷),期】2019(041)004【总页数】7页(P235-241)【关键词】气凝胶;制备;应用【作者】潘晶晶;王京阳【作者单位】中国科学院金属研究所,沈阳110016;中国科学技术大学,合肥230026;中国科学院金属研究所,沈阳110016【正文语种】中文1 科研与好奇的交汇人类与生俱来的好奇心推动着人们一次次对未知的探寻，气凝胶的发明也正是得益于此。
关于气凝胶有一个广为流传的故事：美国科学家Samuel Stephens Kistler 与同事打赌，看谁能够做到将果冻状凝胶中的液体去除而不使其骨架坍塌。
经过潜心的探索，这位科学家最终凭借超临界干燥技术在这场赌局中顺利胜出，并于1931年在Nature杂志上发表了题为“Coherent expanded aerogels and jellies”的文章[1]，这一年也因此成为公认的气凝胶诞生的年份。
气凝胶的英文名称“aerogel”可看成两部分的组合，“aero”+“gel”十分形象地描绘出了这种新材料的直观特点，即一种由气体填充的凝胶，据此不难联想到它所具备的高孔隙率、低密度的特点，以及由此衍生出的应用场景。
此后，Kistler博士并未减少对这种材料的兴趣，他尝试对制备工艺进行改进并围绕气凝胶开展了早期的应用探索。
在当时的背景下，受限于昂贵的设备、繁琐的制备工艺和骨架脆弱等问题，Kistler 直到去世也未能目睹他发明的新材料成为科学界的宠儿。
然而，他那跨越时代的眼界以及踽踽独行的坚守，让历史的指针最终还是偏向了他。
第22卷第12期2010年12月强激光与粒子束H I G H P O W ER L A SE R A N D PA R T I C L E B E A M SV01．22，N o．12D ec．。
2010文章编号：1001—4322(2010)12-2875—05碳气凝胶薄片的制备及表面密度致密层去除工艺’钟艳红，周斌，归佳寅，杜艾，徐翔，朱秀榕，吴广明，张志华，沈军(同济大学上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室，上海200092)摘要：研究了不同密度和厚度的碳气凝胶薄片的制备及其表面致密层去除工艺。
在以问苯二酚、甲醛为原料制备有机及碳气凝胶块体材料的基础上。
结合自制活动式微模具成型工艺．制备了厚度在80～350,am，密度在50～600m g cm。
范围内变化的碳气凝胶薄片。
采用场发射扫描电镜、X射线相衬成像和表面轮廓仪一台阶仪等手段对其表面和内部微观结构进行了表征。
测试结果表明，碳气凝胶薄片与块体的内部结构相同，但薄片表面存在一层和内部结构截然不同的致密层。
采用不同粗糙程度的材料对薄片进行了表面微处理，成功去除该致密“皮”层。
关键词：碳气凝胶；薄片；致密层；表面处理中图分类号：0648文献标志码：A do i：10．3788／H PI，PB20102212．2875碳气凝胶材料具有极强的抗辐射能力和相对较强的化学惰性，易实现冲击波传输过程中的物化分析，是一种理想的惯性约束聚变(I C F)实验用靶材料。
近年来，精密化分解实验进行流体力学不稳定性研究已成为国内外IC F实验的重点内容。
流体力学不稳定性实验用靶已从1维平面调制靶发展为轻重介质调制靶和多介质层激波管靶型[1‘3]，碳气凝胶材料已在相关靶型中获得应用n]。
2005年美国通用原子公司报道了一种新型有机间苯二酚一甲醛(R F)平面调制靶型，它是在密度为50～500m g cm～、厚度为50～250l am的有机R F气凝胶薄片上引入正弦调制结构¨]。
二氧化硅气凝胶简介气凝胶（aerogels）通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料。
气凝胶是一种固体，但是99%都是由气体构成，外观看起来像云一样。
气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。
最常见的气凝胶为二氧化硅气凝胶。
SiO2气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80-99.8％，孔洞的典型尺寸为1-100 nm，比表面积为200-1000 m2/g，而密度可低达3 kg/m3，室温导热系数可低达0.012 W/（m•k）。
正是由于这些特点使气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面有很广阔的应用潜力。
一、气凝胶发展历史早在1931年，Steven.S.Kistler就开始研究气凝胶。
他最初采用的方法是用硅酸钠水溶液进行酸性浓缩，用超临界水再溶解二氧化硅，用乙醇交换孔隙中的水后，利用超临界流体干燥技术制成了最初的真正意义上的气凝胶。
这种材料的特点是透明、低密度、高孔隙率。
但受当时科研手段的限制，这种材料的研制并没有引起科学界的重视。
上世纪七十年代，在法国政府的支持下，Stanislaus Teichner在寻找一种用于存储氧和火箭燃料的多孔材料的过程中，找到一种新的合成方法，即把溶胶- 凝胶化学方法用于二氧化硅气凝胶的制备中。
这种方法推动了气凝胶科学的发展。
此后，气凝胶科学和技术得到了快速发展。
1983年Arlon Hunt 在Berkeley 实验室发现可用更安全、更廉价的二氧化硅气凝胶制作方法。
与此同时，微结构材料研究小组发现可用具有更低临界温度和临界压力的二氧化碳超临界流体取代乙醇作为超临界干燥的流体，使得超临界干燥技术得以向实用化阶段迈进。
八十年代后期，Larry Hrubesh 领导的研究者在Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 制备了世界上最轻的二氧化硅气凝胶，密度是0.003 g/cm 3，仅有空气的3倍。
第21卷第3期原子与分子物理学报Vol.21，№.3
2004年7月JOURNALOFATOMICANDMOLECULARPHYSICSJul.，2004
文章编号：1000-0364（2004）03-0415-06
间苯二酚-甲醛气凝胶单体分子结构研究✷
王丽莉1，2，唐永建2，蒋刚1
（1.四川大学原子与分子物理研究所，成都610065；2.中物院激光聚变研究中心，绵阳621900）摘要：本文用B3LYP密度泛函方法，在6-311G、6-311++G、6-311G**和6-311++G**基组水平上，全空间优化了间苯二酚和甲醛单体分子的几何结构，得到间苯二酚和甲醛分子稳定结构均为平面构型，在不同基组下计算的结果表明极化函数对间苯二酚分子结构有明显影响，而扩散函数对其影响不大；并在此基础上全空间优化了单元／二元羟甲基间苯二酚的平衡构型，得到单元／二元羟甲基间苯二酚单体各分别存在四种异构体，计算了间苯二酚和羟甲基间苯二酚的电荷分布，分析了亚稳态向最稳态过渡的趋势。关键词：间苯二酚；羟甲基间苯二酚；分子结构；电荷分布中图分类号：O561.1文献标识码：A
ThestudyforgeoLetrystructureofresorcinol-forLaldehydeaerogelsLonoLersWANGLi-li1，2，TANGYong-jian2，JIANGGang
1
（1.InstituteofAtomicandMolecularPhysics，SichuanUniversity，Chengdu610065，P.R.China；2.ResearchCenterofLaserFusion，CAEP，Mianyang621900，P.R.China）
Abstract：UsingGaussian98program，theequilibriumgeometricalmoleculestructuresofresorcinolandformaldehydeareobtainedwithB3LYPmethodsand6-311G，6-311++G，6-311G**and6-311++G**basissets.Theresultsshowthatresorcinolandformaldehydeareplanestructure；Ondifferentbasissets，thepolarizationfunctions，ratherthandiffusefunctions，areimportantforthegeometricalstructureof
resorcinol.Thenoptimizedfourstructuresofsingleandmulti-methyolresorcinol.Atsametime，thechargedistributionsofresorcinolandresorcinol-formaldehydearecalculated，andthedirectionoftransformfrommetastabilitytostabilityisprimaryinvestigated.
Keywords：Resorcinol；Methyolresorcinol；Moleculestructure；Chargedistribution
1引言间苯二酚-甲醛有机气凝胶（RF）具有孔洞率高（达95%以上），比表面积大（400~1000m2／g），纳米结构可控（典型孔洞尺寸为1~50nm，构成网络的胶体颗粒直径为1~15nm），密度范围广（0.03~0.8
g／cm3）等特点，在光学、热学、电学、声学和机械性能等各方面具有独一无二的特性，具有广泛的用途［1］，是重要的储氢材料。对RF气凝胶的结构控制工艺和应用研究目前十分活跃并取得很大进展，但对其形
✷收稿日期：2003-11-14
基金项目：国家自然科学基金（批准号：10075040）资助课题作者简介：王丽莉（1978-），女，四川大学原子与分子硕士研究生（四川大学与中物院激光聚变研究中心联合培养），现从事分子结构和有机气凝胶研究。通讯作者：蒋刚，E-mail：gjiang@scu.edu.cn。成的微观机理了解不多，共聚物结构与性质的研究还少见报道。本文通过对其单体分子结构进行研究，探讨其形成的微观机制，对RF气凝胶材料的制备和性能测试具有重要的理论指导意义。
本文用Gaussian98量子化学从头计算程序［2］，采用B3LYP密度泛函方法，在6-311G、6-311++
G、6-311G**和6-311++G**基组水平上，全空间优化了间苯二酚和甲醛单体的几何结构，分析了不同基组对计算结果的影响，得到极化函数对间苯二酚分子结构有明显影响，而扩散函数对其影响不大。在此基础上全优化了单元／二元羟甲基间苯二酚的平衡几何构型，计算了间苯二酚和羟甲基间苯二酚的电子布居数，分析了羟甲基对间苯二酚结构和电子云布居的影响，结果表明理论计算的结果能较好的与实验及相关文献［3］吻合。
2计算方法密度泛函理论（DFT）方法就是通过构造电子密度的泛函来模拟电子相关的一种近似方法，它将n个电子体系的能量写成［4］：
EEET+EV+EJ+EXC其中ET为电子运动的动能，EV包括核与电子的吸引势和核与核的排斥势，EJ为电子与电子的排斥势，EXC为交换相关能和电子与电子相互作用的其余部分。除了核与核的排斥势外，每一项均可表示为电子密度p的函数，如EJ可表示为：
EJE12"p（#r1）（Δr12）-1p（#r2）d#r1d#r2
ET+EV+EJ与电荷分布p的经典能量相对应，其解析表达式较容易写出，而EXC是指反对称波函数的交换能和单电子运动的动力学相关，为了写出其具体的解析表达式，将EXC分为交换和相关两个独立的部分：
EXCEEX（p）+EC（p）EX（p）和EC（p）两项分别为交换泛函和相关泛函，均由与电子密度p有关的局域泛函（localfunctionals）和与电子密度p及其梯度有关的梯度修正泛函（gradient-correctedfunctionals）组成。DFT方法就是将交换泛函与相关泛函联合起来进行计算，本文所用B3LYP方法是将包含梯度修正的Becke交换泛函与包含梯度修正的Lee、Yang和Parr相关泛函联系在一起，局域相关泛函按常规采用Vosko、Wilk和Nusair局域自
旋密度处理，得到的Becke三参数泛函具有下列形式：
EXCB3LYPEEXLDA+cO（EXHF-EXLDA）+cXΔEXB88+ECVWN3+cC（ECLYP-ECVWN3
）
通过调节参数cO、cX、cC来优化控制交换能和相关能修正。本文采用的6-311++G、6-311G**和6-311++G**基组就是在6-311G基组分别加上扩散函数、极化函数、扩散函数和极化函数。文中所用的计算方法B3LYP和基函数均由Gaussian98量子化学从头计算程序提供，全部结果应用Gaussian98程序在Compaqalpha工作站上完成。
3计算结果
3.1间苯二酚和甲醛的平衡几何构型本文采用B3LYP密度泛函方法对间苯二酚和甲醛分子进行全空间优化，结果表明间苯二酚和甲醛分子皆为平面构型，如图1所示，与文献［3］一致。用B3LYP方法分别在6-311G、6-311++G、6-311G**和6-311++G**基组水平上计算得到间苯
二酚单体有图1所示a、b两种异构体，两种构型的能量如表1所示，各构型的几何参数（键长、键角）见表2。
614原子与分子物理学报2004年表1不同基组水平上间苯二酚分子的总能量Table1ThetotalenergyofresorcinolLoleculeindifferentbasicsetsEnergy（a.u.）6-311G6-311++G6-311G**6-311++G**Structurea-382.67701-382.68714-382.79461-382.80545Structureb-382.67765-382.68796-382.79541-382.80644
由表1可知：四种基组下间苯二酚构型b的能量均比构型a略低，其中在B3LYP／6-311G**水平上，构型a比构型b仅高0.02eV左右，从能量的角度来看，构型b为最稳定构型，而构型a也是间苯二酚一个稳定的异构体；对同一计算方法，选择不同的基组对计算结果有较明显的影响，特别是考虑了极化函数后得到的分子总能量明显降低，说明极化函数对能量影响较大。
表2间苯二酚单体的键长（nm）和键角（≠）Table2BandlengthandbandangleofresorcinolLonoLerStructureaStructureb6-311G6-311++G6-311G**6-311++G**6-311G6-311++G6-311G**6-311++G
**
C1-C20.13980.13990.13970.13970.13930.13930.13930.1392
C1-C60.13980.13980.13970.13970.13930.13920.13920.1392
C1-H70.10850.10850.10880.10880.10790.10790.10820.1082
C2-C30.13950.13940.13950.13940.14000.14000.13990.1398
C2-O130.13950.13980.13660.13690.13940.13970.13660.1369
C3-C40.13960.13970.13910.13920.13960.13970.13910.1392
C3-H80.10790.10800.10820.10820.10830.10830.10850.1085
C4-C50.13960.13960.13910.13920.13960.13970.13910.1392
C4-H90.10820.10820.10840.10840.10820.10820.10840.1084
C5-C60.13960.13950.13950.13940.14000.14000.13990.1398
C5-H100.10800.10800.10830.10820.10830.10830.10850.1085
C6-O110.13950.13980.13660.13690.13950.13970.13660.1369
O11-H120.09720.09730.09620.09630.09720.09720.09620.0963
O13-H140.09720.09730.09620.09630.09720.09720.09620.0963
