世界上最轻的固体材料:密度比空气还小被称凝固烟雾

美国科学家曾经在1931年就发现了比空气密度还低的气凝胶，经过测量得知它的密度仅仅只有每立方米3千克而已，因此之后它就被吉尼斯世界纪录认证为世界上最轻的固体材料，它虽然是固体，但实际上它的整体形态非常像是一团烟雾，会微微的散发淡蓝色，因此也有人将它称之为“蓝烟”。

世界上最轻的固体材料

气凝胶其实也有很多种类型，不过大多密度都不会超过每立方米3千克，其中最低的更是可以达到每立方厘米016毫克，相当于空气密度的六分之一，比世界上最轻的鸟类吸蜜蜂鸟还要轻上数十倍，即使是普通的气凝胶也只是比空气密度重上275倍而已，因此简直就可以将气凝胶称之为“凝固的烟雾”。

就算是干燥的松木，重量也能达到气凝胶的140倍，要知道松木可是常见木材中最轻的木材了。气凝胶之所以会这么轻，其实就是因为它的内部至少有998%都是空气，而其他虽然都是二氧化硅，但它的整体重量也非常的轻，玻璃的密度至少有它的一千多倍，可想而知它到底有多轻。

气凝胶有什么特点

而气凝胶虽然看起来像是一团烟雾，非常的脆弱易碎，但实际上它能够耐受最高1400多度的极高温，曾经科学家做过一个实验，据说将玫瑰放置在气凝胶之上，使用火焰炙烤的时候，玫瑰竟然毫发无伤，因此这也使得它能够在航空领域大有作为，据说它的耐热性能是普通玻璃的20-30倍之多。

并且据研究表明，气凝胶的组成成分和玻璃其实没有太大的差别，也能够透过它看到背后的物体，而且这种气凝胶的优秀特性还不止于此，据说它的抗压能力非常的强，比自身重千倍的力都能够承受，同时它的绝缘性也比玻璃强上至少39倍之多。所以这也就意味着它能够代替玻璃成为更好的轻便耐热材料，被用于航天探测上。

如何制作气凝胶

气凝胶又称冻胶。溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的液体（在干凝胶中也可以是气体），这样一种特殊的分散体系称作凝胶。没有流动性。内部常含有大量液体。例如血凝胶、琼脂的含水量都可达99%以上。可分为弹性凝胶和脆性凝胶。弹性凝胶失去分散介质后，体积显著缩小，而当重新吸收分散介质时，体积又重新膨胀，例如明胶等。脆性凝胶失去或重新吸收分散介质时，形状和体积都不改变，例如硅胶等。由溶液或溶胶形成凝胶的过程称为胶凝作用（gelation）。

[编辑本段]生物学和凝胶

　　生物分子下游纯化的对象一般包括蛋白、酶、重组蛋白、单抗、抗体及抗原、肽类、病毒、核酸等。纯化前首先需要测定生物分子的各物理和化学特性，然后通过实验选择出最有效的纯化流程。

　　1测定——分子量、PI

　　当目标蛋白的物理特性如分子量、PI等都不清楚时，可用PAGE电泳方法或层析方法加以测定。分离范围广阔的Superose HR预装柱很适合测定未知蛋白的分子量。用少量离子交换介质在多个含不同PH缓冲液的试管中，可简易地测出PI，并选择纯化用缓冲液的最佳PH

　　2选择——层析方法

　　若对目标蛋白的特性或样品成分不太了解，可尝试几种不同的纯化方法：

　　一] 使用最通用的凝胶过滤方法，选择分离范围广阔的介质如Superose、Sephacryl HR依据分子量将 样品分成不同组份。

　　二] 用含专一配体或抗体的亲和层析介质结合目标蛋白。亦可用各种活化偶联介质偶联目标蛋白的底物、受体等自制亲和介质，再用以结合目标蛋白。一步即可得到高纯度样品。

　　三] 体积大的样品，往往使用离子交换层析加以浓缩及粗纯化。高盐洗脱的样品，可再用疏水层析纯化。疏水层析利用高盐吸附、低盐洗脱的原理，洗脱样品又可直接上离子交换等吸附性层析。两种方法常被交替使用于纯化流程中。

　　3纯化——大量粗品

　　处理大量原液时，为避免堵塞柱子，一般使用sepharose big beads、sepharoseXL、sepharose fast flow等大颗粒离子交换介质。扩张柱床吸附技术利用多种STREAMLINE介质，直接从含破碎细胞或组织萃取物的发酵液中俘获蛋白。将离心、超滤、初纯化结合为一。提高回收率，缩短纯化周期。

　　4纯化——硫酸氨样品硫酸氨沉淀方法常被用来初步净化样品，经处理过的样本处于高盐状态下，很适合直接上疏水层析。若作离子交换，需先用Sephadex G-25脱盐。疏水层析是较新技术，随着介质种类不断增多，渐被融入各生产工艺中。利用Hitrap HIC Test Kit 和RESOURCE HIC Test Kit可在八种疏水介质中选择最适合介质及最佳的纯化条件。低盐洗脱的样品可稍加稀释或直接上其它吸附性层析。

　　5纯水——糖类分子

　　固化外源凝订素如刀豆球蛋白、花生、大麦等凝集素，可结合碳水化合物的糖类残基，很适合用作分离糖化细胞膜组份、细胞、甚至亚细胞细胞器，纯化糖蛋白等。两种附上外源凝集素的Sepharose 6MB亲和层析介质，专为俘获整个细胞或大复合物，如膜囊等。

　　6纯化——膜蛋白

　　膜蛋白分离常使用去污剂以保持其活性。离子性去污剂应选用与目标蛋白相反电荷者，避免在作离子交换时和目标蛋白竞争交换介质，籍此除去去污剂。非离子性去污剂可以疏水层析除去。

　　7纯化——单抗、抗原 单抗多为IgG来源主要是腹水和融合瘤培养上清液。腹水有大量白蛋白、转铁蛋白和宿主抗体等。Mabselect、Protein G和Protein A对IgG的Fc区有专一性亲和作用，能一步纯化各种不同源的IgG血清互补剂如小牛血清可先用蛋白G预处理，在培养前除去IgG重组蛋白A介质 Mabselect和rProtein A Sepharose FF对IgG有更高的载量和专一性，基团脱落更少。脱落的rProtein A用离子交换Q Sepharose HP或凝胶过滤Superdex 200，很容易去除。

　　疏水层析Phenyl Sepharose HP亦很适合纯化IgG宿主抗体和污染IgG可用凝胶过滤Superdex 200在精细纯化中去除。

　　纯化IgG抗原最有效的方法是用活化偶联介质如CNBr、NHs activated Sepharose FF偶联IgG，再进一步获取IgG抗原。

　　HiTrap IgM是用来纯化融合瘤细胞培养的单抗IgM，结合量达5mg IgMHiTrap IgY是专门用来纯化IgY，结合量达100mg纯IgY

　　8纯化——重组蛋白 重组蛋白在设计、构建时应已融入纯化构想。样品多夹杂了破碎细胞或溶解产物，扩张柱床吸附技术STREAMLINE便很适合做粗分离。Amersham biosciences提供三个快速表达、一步纯化的融合系统。

　　一] GST融合载体使要表达的蛋白和谷胱甘肽S转移酶一起表达，然后利用Glutathione Sepharose 4B作亲和层析纯化，再利用凝血酶或因子Xa切开。

　　2 蛋白A融合载体使要表达的蛋白和蛋白A的IgG结合部位融合在一起表达，以IgG Sepharose 6 FF纯化。

　　二] 含组氨酸标记（Histidine-tagged）的融合蛋白可用Chelating Sepharose FF螯合Ni2+金属，在一般或变性条件（8M尿素）下透过组氨酸螯合融合蛋白。HisTrap试剂盒提供整套His-Tag蛋白的纯化方法。

　　9纯化——包涵体蛋白

　　包涵体蛋白往往需溶于6M盐酸胍或8M尿素中。高化学稳定性的Superose 12及Sepharose 6FF凝胶过滤介质很适合在变性条件下做纯化。变性纯化后的蛋白需要复性至蛋白的天然构象。Superdex 75、Q Sepharose FF和Phenyl Sepharose FF分别被发现有助包涵体蛋白的复性。一般包涵体蛋白样品的纯度越高，复性效果越好。SOURCE 30 RPC反相层析介质很适合纯化复性前的粗品，并可以1MnaOH重生。此方法纯化后的包涵体蛋白，复性回收率明显提高。

　　10包涵体蛋白固相复性 近年许多文献报导将包涵体蛋白在变性条件下固定（吸附）在层析介质上，一般用各种Sepharose FF离子交换层析介质。去除变性剂后，蛋白在介质上成功复性，再将复性好的蛋白洗脱下来。固相复性避免了一般复性过程中蛋白质聚体的形成，所以复性得率更高，而且无需大量稀释样品，并将复性和初纯化合二为一，大大节省时间及提高回收率。

　　固相复性方法也被用于以HiTrap Chelating金属螯合层析直接复性及纯化包涵体形式表达的组氨酸融合蛋白；以HiTrap Heparin肝素亲和层析直接复性及纯化包涵体形式表达的含多个赖氨酸的融合蛋白。两种亲和层析预装柱均可反复多次重复使用，比一般试剂盒更方便、耐用。

　　11纯化——中草药有效成分

　　中药的化学成分极其复杂。传统中药多是煎熬后服用，有效成份多较为亲水，包括生物碱、黄酮、蒽醌、皂甙、有机酸、多糖、肽和蛋白质。灵活及综合性地利用多种层析方法。如离子交换、分子筛、反相层析，更容易分离到单一活性成分。Sephadex LH-20葡聚糖凝胶同时具备吸附性层析和分子筛功能，例：如用甲醇分离黄酮甙，三糖甙先被洗下来，二糖甙其次，单糖甙随后，最后是甙元。 Sephadex LH-20可使用水、醇、丙酮、氯仿等各种试剂，广泛用于各种天然产物的分离，包括生物碱、甙、黄酮、醌类、内脂、萜类、甾类等。

　　生物碱在酸性缓冲液中带正电，成为盐，HiTrap SP阳离子交换层析柱可以分离许多结构非常近似的生物碱。相反，黄酮、蒽醌、皂甙、有机酸等可溶于偏碱的缓冲液中，在HiTrap Q阴离子交换柱上分离效果良好。

　　一般多糖纯化大多使用分子筛如Sephadex，Sephacryl若分子量在600KD以下，并需更高分辨率，可选择新一代的Superdex 一般植物可能含水溶性、酸溶性、碱溶性多种多糖。综合利用分子筛及离子交换层析有助进一步获各组份纯品。另外，多糖药物需去除可引起过敏的蛋白质，传统 Sevag方法用丁醇脱蛋白需反复数十次。阴阳离子交换法可以一、两步快速去除多糖中残存的蛋白质。SOURCE5、15、30RPC反相层析也很适合各种中药有效成分的检测、分离和放大制备。由于中药的成分非常复杂，SOURCE反相层析可用范围为PH1-14 ，并可用1M NaOH，1M HCL清洗、再生。比传统硅胶反相层析更易于工艺优化及在位清洗，寿命也更长。

　　12纯化——肽类

　　肽类的来源有天然萃取，合成肽和重组肽三种。肽容易被酶降解，但可从有机溶剂或促溶剂中复性，所以多以高选择性的反相层析如SOURCE 30RPC、SOURCE 15RPC、SOURCE 5RPC或离子交换Minibeads、Monobeads作纯化。Superdex Peptide HR是专为肽分子纯化设计的凝胶过滤预装柱，能配合反相层析做出更精美的肽图。肽分子制备可用离子交换配合凝胶过滤Superdex 30 PG。医学都市多功能

　　13纯化——核酸、病毒

　　核酸的纯化用于去除影响测序或PCR污染物等研究。核酸可大致上分为质粒DNA、噬菌体DNA和PCR产物等。病毒也可视作核酸大分子，和质粒DNA一样，可用分离大分子的Sephacry S-1000 SF、Superose或Sepharoce 4FF凝胶过滤介质去除杂蛋白，再配合离子交换如Mono Q、 SOURCE Q分离核酸。

　　 14纯化——寡核苷酸寡酸苷酸多应用在反义（anti-sense）DNA、RNA测序、PCR和cDNA合成等研究。合成后含三苯甲基的寡核苷酸以阴离子交换的Mono Q或快速低反压的SOURCE Q在PH12下可除副产物，并避免凝集和保护基的脱落。载量大大高过反相层析，可用做大量制备。不含三苯甲基的失败序列可用反相柱ProRPC去除。

　　15脱盐、小分子去除

　　使用凝胶过滤介质Sephadex G10，G15，G25，G50等去除小分子，效率高，处理量可达床体积30%只需在进样后收集首1/3-1/2柱体积的洗脱液，就可以去除该填料分离范围上限以下的小分子，简单直接。由于只是去除小分子，柱高10cm以上即可。整个过程一般可于数分钟至半小时完成。Sephadex G25系列介质专为蛋白质脱盐而设计，预装柱HiTrap Desalting（5ml）可用针筒操作。HiPrep Desalting（26ml）可在数分钟为多至10ml样品脱盐。

　　16疫苗纯化 使用凝胶过滤介质Sepharose 4FF纯化疫苗，去除培养基中的杂蛋白，处理量可大于床体积10%柱高一般40-70cm，整个过程约半至一小时。目前使用此法生产的疫苗品种有乙肝、狂犬、出血热、流感、肺结核、小儿麻痹疫苗等。分子量较小的疫苗可使用Sephacryl S-500HR，如甲肝疫苗等。

　　17抗生素聚合物分析

　　中国药典从2000年版起要求抗生素头孢曲松钠需要找出聚合物占产品的白分比，规定使用Sephadex G10凝胶过滤法测定。

　　18纯化-基因治疗用病毒载体

　　SORRCE 15Q

　　19纯化-基因治疗用质粒

　　Q Sepharose XL，SOURCE 15Q，STREAMLINE Q，Sephacryl S500，Plasmidselect 在下游纯化中，可应用不同层析技术在纯化生物分子的同时，去除各种污染物。

　　1去除——内毒素

　　内毒素又称热原。含脂肪A、糖类和蛋白，是带负电的复合大分子。

　　内毒素的脂肪A部份有很强的疏水性。但在高盐下会凝集，无法上疏水层析。利用疏水层析试验盒（17-1349-01）可选择结合目标蛋白的介质而去除内毒素。

　　内毒素与阴离子交换介质Q或DEAE Sepharose Fast Flow有较强结合。可在洗脱目标蛋白后用高盐缓冲液或NaOH去除。

　　利用CNBr或NHS Sepharose FF可偶联内毒素底物如LAL，PMB，自动成亲合层析介质结合内毒素。内毒素经常是多聚体，凝胶过滤层析可有效地将之去除。

　　2去除——蛋白中的核酸

　　大量核酸增加样本黏度，令区带扩张，反压增加，降低分辨率和流速。药审和食检对核酸含量也有严格限制。

　　胞内表达蛋白的核酸问题尤其严重。核酸带阴电荷，在初步纯化时利用阳离子交换介质如STREAMLINESP，SP Sepharose Big Beads，SP或CM Sepharose FF，SP SepharoseXL结合目标蛋白，可除去大量核酸。

　　核酸在高盐下会和蛋白解离，疏水层析介质很适合用来结合目标蛋白，在纯化蛋白的同时去除核酸。

　　利用核酸酶将核酸切成小片断，用凝胶过滤做精细纯化时便很容易去除了。

　　3去除——病毒和微生物

　　病毒和微生物可成为病原，应尽量减除。结合不同层析技术，使用注射用水，用NaOH定期进行仪器和凝胶的在位消毒和在位清洗，皆可避免污染物增加。

　　病毒大都有脂外壳。可用与目标蛋白电荷相反的S/D（solvent/detergent）处理，使病毒失活，如Triton和Tween再用适当的离子交换介质如CM Sepharose FF结合目标蛋白，去除S/D

　　其它污染物可以改变pH和离子强度使其从目标分子中解离或失活，凝胶过滤介质Superdex及多种吸附性介质，SOURCE都是很好的精细纯化介质，可去除多种微量污染物。

　　凝胶是指颗粒大小在1埃到10埃之间的混合物。高分子溶液和某些溶胶，在适当的条件下，整个体系会转变成一种弹性的半固体状态的稠厚物质，失去流动性。这种现象称为胶凝作用,所形成的产物叫做凝胶或冻胶

　　“气凝胶”是指分散系为气态的，如：云，雾等，“固凝胶”有烟水晶等，“液凝胶”就是呈液态的胶体，如氢氧化铁胶体 。

　　例：

　　食品级葡甘露胶（Gum Konjac-GM）

　　葡甘露胶（又称：魔芋胶）系一种新型多用途微粒状可食用胶。这里推出之葡甘露胶是以优质魔芋中提取的葡萄甘露聚糖为原料，经脱杂处理后采用先进技术加工而成，其中添加成分不含任何非食用化学配料或色素。与传统的琼脂、果胶、海藻胶等食品添加剂相比，葡甘露胶在膨胀率、粘度、增稠、稳定性及使用方便程度上皆显著优于上述胶类，此外尚具有特殊的优点：无需添加任何凝固剂，在无糖、低糖或高糖条件下，在酸性、中性或碱性条件下，常温即可凝冻，凝胶性能理想；保持或强化了葡萄甘露聚糖所具有的降糖、降脂、减肥等保健功能，大大拓宽了魔芋应用的范围；价格低廉、使用方便。

　　葡甘露胶能广泛用于食品、饮料、医药、日用化工、科研等领域，作为琼脂、果胶、海藻胶等的替代产品，价格低廉，且使用时无需改变原有的设备及工艺，能大幅度降低添加剂的使用成本，是一种理想的新型凝胶添加剂。为满足不同产品开发的需要，一、凝胶（果冻）型：能与各种天然果汁、物料及色素良好混合，作为广谱凝胶赋型剂，是制作果冻、水晶软糖等的极佳原料，也可作为培养基支持体，且不需再添加其它任何胶类或碱性成份；凝胶成型条件随意、脱杯完整，凝胶强度高、韧性大。用量：07～09%。用法：在适量温水中溶胀3～5分钟，煮沸冷至70度左右时加入糖及各种配料，冷却至室温即成。

　　二、培养基型：用作替代琼脂作为花卉及其它植物进行组织培养的支持体。组培苗根粗、苗壮，使用效果理想，成本大幅降低。用量：05～06％。用法：在温水中溶胀3～5 分钟，煮沸后冷却即可。三、果肉（茶）饮料型：作为稳定剂与悬浮剂，替代琼脂和羧甲基纤维素等，广泛用于粒粒橙、果茶、果汁、豆奶、银耳羹、八宝粥等异相悬浮剂等（或混合）饮料中，防止沉淀或分层。 用量：015～025％左右。用法：在适量温水中充分溶胀后加入物料中。四、冷冻制品型：用于冰棒、冰淇淋等各种冷冻制品，可增大膨胀，减少冰晶，提高抗热融性，使产品更加爽口。用量：015～025％左右。用法：在适量温水中充分溶胀后加入物料中。五、增稠型：用于果酱、米、面制品中，可增大膨胀率，提高韧性，改善赋型和口感。是进口洋槐豆胶的理想替代物。用量：02～03％左右。用法：在适量温水中充分溶胀后加入物料中。

预氧丝气凝胶毡的危害是容易灼伤人体。气凝胶毡主要成分是气凝胶，它的分子直径非常小，能够通过热量的颗粒断面积非常小，与一般的保温材料相比，导热系数很低。同时气凝胶毡中加入了遮光剂，能够很好的阻挡红外线穿透，减少了热辐射。

它能隔绝1300℃的高温和零下130度的低温。还兼具绝佳的隔音、吸油、抗强压、疏水等神奇功能。不久的将来，这种新材料可能会改变人类生活的方方面面。

昨天，去一家生产新材料的高新技术企业考察，见到了这种闻所未闻的黑科技产品---“冻烟”，瞬间感觉大开眼界。

这种新材料的学名叫气凝胶。看上去呈云雾状，淡蓝色，所以又称为“固态烟”或者“冻结的烟雾”（简称“冻烟”）。专家说，“冻烟”是个非常形象的比喻，它反映出气凝胶的两个特点：一个是轻，另一个是固态。看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用。它能承受烈性炸药的爆炸冲击波，还能隔绝1300℃的高温。

简单来说，气凝胶就是液态凝胶的一种变脸。我们生活中常见的液态凝胶很多，比如果冻和冷冻过的鱼汤就是典型的液态凝胶。而通过科学的方法将液态凝胶里的液体成分由气体取代，就形成了气凝胶。具体来说，就是从一种硅胶中抽去水分，然后注入二氧化碳等气体制成的。气凝胶是由连续的二氧化硅固态材料所形成。由于二氧化硅的填充体积只有1%或更低。使得这种材料的体积密度接近于空气。因此，它被称为世界上最轻的固体材料。尽管气凝胶被归类为固体，但其中99%的物质都是气体。科学家说，由于材料上有上百万个小孔和皱褶，如果把1立方厘米的气凝胶全部展开的话，可以覆盖一个标准的足球场。

气凝胶创下15项吉尼斯纪录，在热学、光学、电学、力学、声学领域均具备奇特的性能，被称为改变世界的神奇材料。“它所带来的影响不亚于上世纪30年代发明的酚醛树脂、80年代的碳纤维以及已经影响世界几十年的硅”。

早期，因为生产成本极高，气凝胶仅仅被应用于航天和军事领域。随着科研的进一步深入，气凝胶将逐步走进人们生活的各个角落。

比如，我们昨天所考察的企业，主要产品就是以气凝胶为主要成分的锂电池隔热板（层），可以有效防止锂电池爆炸引起的火灾，以及外部火灾引起的锂电池爆炸。

最近，国外一家公司研发了一款气凝胶材质的防寒外套，这款外套仅有3mm厚，却可以媲美40mm鸭绒外套的保温效果。为了显示这件外套惊人的特性，测试人员用零下196℃的液氮进行喷射。外套内部仍然能保持32℃的体温！一些登山爱好者也开始选用这种材料的登山设备。英国登山爱好者安妮·帕门特在攀登珠峰时所穿的靴子和所用的睡袋都填充了气凝胶材料。他说，“当时惟一的问题是我的脚太热了，对登山者来说反倒麻烦。”

因为气凝胶具有超强的隔音效果，它将以史上最轻隔音材料被用作飞机发动机内的隔音材料，可将喷气发动机起飞时105分贝的轰鸣声降低到近似吹风机的16分贝声音大小。

还有，因为气凝胶的超疏水性，（既荷叶效应，超级不沾水），它可以被应用于室外天线上防止积雪，以及远洋轮船上，达到防污、防腐的效果。

此外，用它建造的房屋能够在炸弹的爆炸中安然无恙。

气凝胶还可用于环保，处理一些环境灾祸。因为它表面的无数个小孔对吸收水中污染物是最理想的。所以，科学家把它称作“最佳海绵”。它可以吸附泄漏在海面上的原油，除去水中的铅和水银。同济大学一个研究小组还研究出一种气凝胶材料，用于海水的淡化，取得了良好的海水淡化效果。

专家介绍，目前国内一家烟草企业，已经着手研制含有气凝胶的香烟过滤嘴，可以很大程度上过滤香烟中的焦油，减轻焦油对人体的危害。

科技改变生活，相信在不久的将来，气凝胶，这“股”神奇的“冻烟”会逐步走进千家万户，给我们的生活带来更多美好的感受和惊喜！