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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）

专家学者激辩“元宇宙”：是概念还是技术？应拥抱还是远离？******

　　中新网北京12月7日电 (记者 孙自法)近一段时间以来，“元宇宙”议题引发广泛关注与热议。近日在北京举行的2021人工智能合作与治理国际论坛“元宇宙未来治理前瞻”主论坛上，人工智能及相关领域专家学者线上线下“云聚”清华大学，聚焦元宇宙是概念还是技术、应拥抱还是远离、元宇宙(虚拟世界)和本宇宙(现实世界)如何关联等热点话题，以圆桌论坛形式展开学术激辩和争鸣。

　　元宇宙或把人类带进一个超历史空间

　　中国社科院哲学所科技哲学研究室主任、科学技术和社会研究中心主任段伟文研究员认为，人类目前为自己构建的技术世界建立在赛博物理空间(CPS)之上，不论是否称为元宇宙，下一步如果继续以信息和数据作为构建世界的关键路径，将会是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态。

　　亟待深入思考的是，元宇宙的构想与构建具有超越性，可能会把人类带进一个超历史空间。这个空间不仅仅涉及现实、虚拟及扩展现实等感知体验世界，更是一个超越现实与虚拟体验，涉及符号/象征、想象等观念和意义创造的世界。

　　他说，未来，对元宇宙的监管和治理可能面临的不是单一维度的技术体系——唯一的大写的元宇宙帝国，而是一个多维整合的技术体系——多样化的元宇宙共和国或多种微世界的联合体。对元宇宙的治理应有前瞻性的考量。

　　首先，涉及符号/象征和想象层面时，要赋予其充分的自由创造空间，不应急于出台一套标准化的制度体系，而应强调在自我意识基础上的自主管理和自我控制。

　　其次，应该看到，不论元宇宙以何种技术路径实现，都发生于地球、社会和人自身之上，故促进人的可持续性、社会的可持续性(如团结与沟通)、自然的可持续性应成为元宇宙治理的基本价值诉求。

　　其三，要对元宇宙可能导致的颠覆性社会价值伦理冲击展开深入研究。人一直生活在其用技术构建的世界里，元宇宙可能是技术世界的未来版本。不论元宇宙是否成真，在当前的技术路径下，最为突出的问题是数据正在替代信息成为新的技术世界的基础设施——数据就是人的行为，而元宇宙的构建似乎不能不基于对数据无时不刻无处不在的监测。这亟待我们从自然、社会和个人的维度对此技术路径展开反思和讨论，以形成包括元宇宙在内的深度科技化未来的新的社会契约。

　　元宇宙虚实相融未来面临诸多风险

　　在清华大学新闻学院新媒体研究中心执行主任沈阳看来，元宇宙是虚实相融的新世界，元宇宙实现了对时空的拓展，其未来面临着诸多风险，如虚拟人的归属问题、虚拟人的责任困境、人机交互下个人认知异化和行为异化等。

　　当前，元宇宙整体发展处于初级阶段，其技术应用还处于低级层次。对于元宇宙的治理，可以采取边调研边发展边治理，确保不出现重大风险，又能积极推进元宇宙产业发展。近期可在现有的制度、法律、政策框架内来讨论，将当下的治理抓手落实在个人权力和利益关系层次。

　　沈阳表示，未来元宇宙治理需建立在充分调研的基础上，经过多元主体的社会大讨论，实现发展与治理的平衡，避免一刀切式的治理框架。要在发展过程中发现问题、分析问题、解决问题，实现精准式的动态治理。

　　联合国开发计划署助理驻华代表张薇指出，随着元宇宙概念被广泛关注，迫切需要从各个角度全面审视元宇宙可能引发的未来治理问题，包括政治经济、国际关系与全球治理、伦理、立法、监管等，从而建构一个公正、开放、负责任、向善、可持续的虚拟世界。她强调，全球尚有37%的人口没有接入或使用互联网，相较于元宇宙的治理问题，数字化的加速和颠覆性技术带来的更迫切、更现实的挑战依然是数字鸿沟。

　　应该善用虚拟/增强现实远离元宇宙

　　“元宇宙相关的若干概念目前在科学上十分不清晰并有误导性。”联合国教科文组织人工智能伦理特设专家组成员、中国国家新一代人工智能治理专委会委员、中国科学院自动化研究所曾毅研究员将自己的主要观点概括为：善用虚拟/增强现实，远离元宇宙。

　　曾毅赞同虚拟现实和增强现实扎根现实，对现实通过虚拟和增强进行扩展和辅助人类对现实的认知，因此在善用的理念下适度使用是合适的。他认为，元宇宙在字面上表示有“宇宙的宇宙”“超越宇宙”之意，如果认为需要去塑造元宇宙，就应当与现实世界高度关联并不能完全脱离现实世界，一旦失去了这种关联，元宇宙就失去了根基。

　　他还认为，面向人类的“数字孪生”概念也不具备科学合理性。孪生一方面强调相似性，另一方面本质上是完全不同的两个人，无法对应到同一个实体。此外，目前的人工智能并不能克隆人类到数字系统中，人工智能目前也没有真正的理解能力、意识和真正的自主性，因此以数字孪生的愿景建构虚拟智能体模糊和混淆了人与人工智能的界限，而目前的人工智能只是一个看似智能的信息处理的工具，目前技术的发展远无法支持“数字孪生”。

　　曾毅特别强调，当“元宇宙”相关基本概念、愿景和应用仍然看似有重大风险时，尤其不应当将青少年推向这个未知的空间。首先，目前对元宇宙这一概念的刻画还相当不扎实；其次，在通用人工智能还未到来之时，互联网、人工智能所存在的所有风险就足以使人类社会受到巨大冲击，由于“元宇宙”基于现代网络与人工智能技术发展，其风险将会在此上基础上叠加；最后，从文化背景看，虚拟和现实世界，都是历史产物。重塑虚拟社会，历史不可磨灭。在虚拟平台进行共治，文化互鉴和互信是重要的“基础设施”。

　　“从技术角度来看，当我们许诺给全球公众和政治系统概念的时候，在提出经经得起科学推敲的基础理念前提下，要考虑技术可行性和社会应用合理性。完全脱离真实世界重塑的新概念会将人类带向真正的生存风险。”曾毅说。

　　元宇宙应以人为本强化现实世界

　　微软(中国)首席技术官(CTO)韦青称，每个人对元宇宙有不同的理解。元宇宙应该以人为本，应该用来强化现实世界，而非替代物理世界，不能让人们沉迷于虚拟世界。越来越多的人发现，虚拟空间与真实空间都需要治理，都需要有秩序。但什么是好的治理，目前仍没有明确的答案，需要人类社会一起达成共识。在数字社会发展过程中，数字鸿沟是一个很大的挑战。“我们的技术向前迈进的同时，不能落下一部分人。面对新技术，我们需要有足够的信心认为技术能够为人类的美好生活做出贡献”。

　　《元宇宙通证》作者之一余晨认为，创造的虚拟世界都可以被视为元宇宙，虚拟并不可怕。纵观人类历史，就是一个由实入虚的过程。元宇宙及现代社会很多问题的根源在于很多人混淆了符号和其所指的对象、混淆了拟像与真实。虚拟空间需要秩序，也需要治理。对于新技术可能的威胁，不能与之前的技术进行简单的归纳和类比，毕竟人工智能技术可能不需要拥有意识就足以毁灭人类，人们往往低估了新技术的次生危害。原则上技术是中立的，但技术是人性的“放大器”，对新技术的治理应该是动态的过程。“元宇宙给我们带来创造价值可能性的空间，我们需要将恶的部分排除，将善的部分留下”。

　　英伟达中国区Omniverse负责人何展说，元宇宙是一个概念，而非一项技术。由于近年来许多数字技术的出现、落地和爆发，元宇宙这一概念被广泛讨论。确切来讲，元宇宙是包括人工智能、机器视觉、物理仿真模拟、高性能计算等许多技术的融合，进而形成虚实交融的新业态。元宇宙之“元”，代表客观存在的世界与人的主观意识、意愿和谐共处，需要服务于真实世界。比如开发点餐机器人，帮助人们针对喜好推荐合适的食物，过去几十年，大多数人已经率先体验了虚拟世界带来的红利。但有趣的是，如果能够区分现实世界和元宇宙之间的不同，人们往往会选择从锻炼自身做起优化自己的现实生活，实现虚实之间的平衡。

　　“我们在元宇宙中的身份，不仅只是代表一个人的虚拟身份，而是一个集合。”Bilibili up主籽岷认为，当前，许多人可能不清楚正在使用的就是元宇宙，或者根本不了解这一概念。他认为，对元宇宙概念的理解，主要是基于虚拟与现实技术的讨论。从虚拟世界和现实世界的关系来看，虚拟世界目前是一个雏形，而现实世界是已成型的，开发虚拟世界旨在用其帮助现实世界。例如，在虚拟世界中进行模拟培训和学习(如消防演习)，是对现实世界发展进步的促进，并且希望多方可以合作，使用元宇宙来帮助需要帮助的人，实现他们的理想。特别是B站上的青少年群体，对他们的人生发展，职业规划起积极意义。还有那些贫困地区的人口，也应该降低门槛，积极把他们纳入到元宇宙中来。因此，未来元宇宙和现实世界将会是互相依存和促进的关系。

　　人工智能和区块链艺术家宋婷认为，元宇宙不是物理宇宙的替代品，数字艺术也不是物理艺术的替代品，基于数字孪生的新文化在元宇宙中大有可为。她希望产业界能够继续开发可编程的、具有拓展性的艺术空间，从而使元宇宙能够赋能人的创造力，而不是减少创造力。元宇宙使得艺术家可以与全世界的同行们交流，不受地理的限制。而由于区块链技术让每一笔交易都可见，所以信用在元宇宙非常重要。

　　2021人工智能合作与治理国际论坛由清华大学主办、清华大学人工智能国际治理研究院承办，国际支持机构为联合国开发计划署，“元宇宙未来治理前瞻”是三场主论坛之一。参加该论坛专家学者表示，赛博空间已经与现实世界的既有秩序、组织和结构形成了张力、也对现实世界的治理提供了全新维度的挑战。这些张力和挑战已经引起了人性挑战、社会撕裂、政治动荡、金融风险等一系列问题，并仍在酝酿新的隐患。因此有必要重新审视目前分散但有联系的各个虚拟空间对现实世界的冲击。虚拟空间中缺乏制度共识和构建、虚拟空间和现实世界制度的冲突，已经成为下一代互联网迫切需要解决的议题。(完)

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）