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）
法国国家公园：六十年绿色发展之路******
【环球视野】
作者：陆洵（苏州大学外国语学院教授）
法国是1992年联合国《生物多样性公约》的主要缔约方之一，2011年法国政府公布了包含六大方向的生物多样性国家战略，把生态文明建设纳入国家战略框架。法国自1963年划设首个国家公园以来，60年间总共建成11个国家公园，总面积达6万多平方公里，占法国国土总面积的9.5%，每年吸引近900万名游客。法国国家公园由法国国家公园管理局直接管理，受法国生物多样性署统一领导。法国政府认为，国家公园的建设与执行生物多样性国家战略的目标紧密相关，国家公园是生物多样性领域的关键行动方，是兑现法国在联合国公约和国家战略中做出的“环境承诺”的关键一环，因此国家公园的建设也是法国生态文明建设的重要组成部分。
法国国家公园是法国展示国家形象的一张生态名片，增强了法国民众的民族自尊心和自信心。资源丰富、面积广袤的国家公园，是法国绿色发展之路的有力见证。
1.法国国家公园诞生的历史背景
1832年，美国画家乔治·卡特林首次提出国家公园的概念。1872年，美国国会批准设立世界上首个国家公园——黄石国家公园，国家公园建设风潮随之席卷全球。
与美国相比，法国国家公园的建设存在明显的滞后，其背后原因错综复杂。就地理环境而言，美国是一片地广人稀的大陆，自然景观以广袤荒野为主。而法国所在的欧洲，人类活动痕迹相当明显。欧洲大陆的人民千百年来与自然紧密关联，依靠自然繁衍生息，但是无论是人口迁移、土地开垦、森林砍伐，还是河道整治、开山挖矿、采石造房，甚至是此起彼伏的战争，都在一定程度上了破坏了生态系统，改变了自然面貌，因此要在欧洲找到一处完全没有人类活动身影的自然区域就比美国困难得多了。
虽然法国国家公园的发展史比美国短得多，但法国民众自然保护意识的觉醒却并不逊于美国民众。19世纪，伴随着法国社会无序放任的城市化进程，许多有识之士看到工业生产污染严重，自然景观遭到肆意破坏的现象，深感自然保护工作势在必行。在法国历史上，首次提出保护自然遗产的当属巴比松画派的画家们。巴比松画派是1830年到1840年在法国兴起的乡村风景画派，因其主要画家聚居在巴黎南郊枫丹白露森林附近的巴比松村而得名。枫丹白露森林位于巴黎南郊50公里处，风景秀美，植被茂盛。从19世纪初开始，这处原始森林便进入众多艺术家的视野，画家、作家、诗人纷纷前来，旅居此地进行艺术创作，巴比松派便是这一时期最有名的艺术家团体。巴比松派的画家们终日在枫丹白露森林中漫步写生,观察研究自然界的风云变化,表现大自然的壮丽景色,描绘富有诗意的田园风光,创造出一种朴素自然的风景画派，进而对后来的印象派产生了重大影响。当时，画家们觉得林业管理部门计划在枫丹白露森林中进行的砍伐活动“过于人工化”，破坏了森林的原生态风貌，便集体向拿破仑三世上书，呼吁保护这片原始森林。1861年，法国颁布法令正式创建“枫丹白露艺术保护区”。枫丹白露是法国第一个由政府下令成立的自然保护区，其后成为许多欧洲国家效仿的国家公园原型。
19世纪末至20世纪初，法国的自然保护主要依靠政府官员、旅游协会成员、社会知名人士等个人力量推动。1913年，法国阿尔卑斯山俱乐部发表了署名爱德华-阿尔伯特·马特尔的一篇长文，对当时全球的国家公园进行了调研分析。1923年，时任法国河流森林管理处官员的阿尔方斯-马泰·杜普拉兹首次提议使用“国家公园”一词，尽管“国家公园”这一称谓在当时的法国还缺乏法律依据。法国旅游俱乐部副主席亨利·德费尔等人为阿尔卑斯山区的国家公园项目奔走呼吁，他们认为那里是大自然自我再生能力的未来“实验室”。可以说，这些人堪称法国环境保护运动的先驱，他们奏响了法国国家公园建设的序曲。
2.法国国家公园建设的法律依据
1933年，法国生物地理学会发起了一项关于全球保护区和公园功能的调查，因为当时法国学界“在这个问题上存在着巨大的混乱”。显然，法国专业协会已经意识到国家公园建设不光是涉及自然保护的学术问题，还必须由法律来保驾护航。
与其他欧洲国家相比，法国在国家公园方面的立法推进较晚。一方面，法国早期的国家公园除了原始区域以外，还包括一些农村地区，这就给国家公园建设带来许多不确定的人为因素。另一方面，在当时的社会背景下，法国人普遍认为“公园”是封闭、禁锢的代名词，这一词语造成的负面的心理影响让民众对国家公园产生了抵触情绪。另外，由于国家公园是政府主导的建设项目，所以这种抵触情绪里也暗含着民众对当时国家权力的不信任。
20世纪初，法国社会围绕国家公园的建设展开了诸多讨论，法兰西学术院院士乔治·杜哈梅尔等社会名家也加入了讨论阵营。经过社会各方的不懈努力，法国政府终于在1960年通过了由法国农业部牵头、农业部下属的水务与林业局具体起草的国家公园法。这是法国历史上首部国家公园法，为日后法国国家公园的划设奠定了法律基础。当时法国政府已经制定颁布了一系列有关建立自然保护区的法律，旨在实现法国农业现代化，而这部国家公园法恰好为法国农业现代化的立法工作画上了圆满的句号。
国家公园法的起草与出台过程并不是一帆风顺的，其间也伴随着激烈的争论。部分科学界人士不赞成向公众开放国家公园，他们认为这与环境保护的理念相矛盾，而且也会妨碍科研活动。另一部分人则持相反意见，他们希望把国家公园变成开放的公共空间，让长期与大自然隔绝的城市居民得以回归自然、亲近自然。此外，一些专家认为建设国家公园可以恢复野生动物种群的数量，同时也是帮助当地居民脱贫致富的有效手段。国家公园法正是在听取各方意见的过程中，由政府对国家公园布局做出的全面综合的法律回应。
法国国家公园法自1960年通过以来，一直是法国国家公园建设的根本大法，法国政府也据此划设了瓦努瓦斯国家公园、克罗港岛国家公园、比利牛斯国家公园、塞文山国家公园、埃克兰国家公园、梅康图尔国家公园、瓜德罗普国家公园等7个国家公园。随着法国社会经济的飞速发展，这部法律逐渐显得与其他法国法律、行政环境和社会诉求不相适应。2006年，法国政府通过了《国家公园法》修正案，这部修正案更新了法国国家公园的立法和监管框架，创新了国家公园的管理模式，完善了国家公园的管理规章。国家公园的运作基础更加广泛，更加尊重地方传统和习俗。自2007年起，法国政府根据这部修正案又新划设了留尼汪岛国家公园等4个国家公园，以国家公园为主体的法国环境保护工程又迈上了一个新台阶。
3.决策与咨询并举的公园管理体系
根据2006年修订的新国家公园法规定，法国国家公园由核心区和加盟区组成，其使命是将人类活动与自然保护有机结合起来，保护自然文化遗产，传递自然文化价值，并承担向青少年传授自然知识、培养其环保理念和生态意识的教育任务。为了完成新使命和新任务，改革后的法国国家公园由公园的公共机构、审议机构、咨询机构共同管理。管理体系的提升与完善为国家公园的保护和治理带来了新的生机。
隶属于法国生物多样性署的国家公园管理局，是法国环境与能源部监管的公共机构。管理局领导国家公园采取统一行动，制订和实施环境保护和可持续发展的政策与措施，涉及生物多样性保护、景观保护、环境监测、旅游管理等诸多专业领域，下设遗产部、发展部、宣传部、财务部、人事部等多个行政部门，负责国家公园的日常管理和正常运作，保障国家公园履行基本职能。
国家公园董事会是国家公园重大决策的审议机构，体现了国家公园多方参与治理的管理模式，可以有效解决自然保护与地方发展之间存在的诸多矛盾问题。董事会成员主要由中央政府和地方政府官员、地方相关行业代表、国家公园工作人员、专业人士以及国家公园区域内的农户代表等组成，并从中选出一名主席和两名副主席，其最终名单需上报环境与能源部并由部长批准。董事会对事关国家公园发展的重大事宜进行审议决策。根据工作需要，董事会主席、董事会办公室和国家公园园长可在一定范围内代表董事会行使职权。董事会主席代表国家公园执行董事会确定的宣传、合作、国际关系等方面的重大事项。国家公园的管理章程也由董事会主席主持起草。董事会下设董事会办公室，负责董事会会议的准备工作，及时跟踪董事会决议的执行情况。
国家公园除了拥有董事会这样的决策审议机构，还拥有两个咨询机构：科学委员会，经济、社会和文化委员会。科学委员会协助国家公园董事会以及公园园长行使其权力，其成员由生命科学、地球科学和人类及社会科学领域的专业人士组成。经济、社会和文化委员会协助董事会跟踪政策落实和公园宪章实施状况，促进当地社会经济和文化生活的繁荣。该委员会由相关机构、协会、社会知名人士以及国家公园居民和商户代表组成。
此外，法国国家公园还拥有由董事会成员、行政部门代表、地方政府官员、社会专业人士组成的若干专业委员会，这些专业委员会负责向董事会提供水利、农业、林业、旅游、教育、国际关系等方面的专业建议，为董事会商议决策提供智力支持和科学依据。
4.核心与加盟共建的生态共同体
法国国家公园划设的一大创举，在于把国家公园分为核心区和加盟区，并按照生态共同体的原则把这两大区关联起来。根据法国国家公园宪章规定，核心区的目标是保护自然、文化和景观遗产，而加盟区则注重这些遗产的可持续发展。因此，核心区与加盟区的协同发展是至关重要的，既要保证人类活动空间的可持续发展，又要保证野生动植物生存空间的生态连续性。法国提出的国家公园模式便应运而生。它从共享、全面、动态的维度引入崭新的公园组织和管理模式，公园虽有不同分区，但又统一规划、整体保护。
法国国家公园的核心区本质上是具有示范效应的自然保护区，其管理宗旨是以宏观协调、统一管理的方式，保持、发展和恢复公园内的生态功能，避免环境保护工作的碎片化。核心区是重要的生态观测区，科研人员需要在此区域对天气、水文、物种、植被等因素进行长期监测记录，同时将这一区域的监测值与周边非国家公园区域的监测值进行分析比较。核心区也是重要的保护区，国家公园管理局联合相关部门，对区域内的自然遗产、生物多样性、海陆生态系统、文化和景观遗产等内容开展长期的保护工作，避免人为破坏行为，让生物的繁衍生息以自然方式进行，确保国家公园的景观特征具有可持续性。值得一提的是，核心区设置的初衷并不是对游客一禁了之，而是在控制游客数量、规范游客行为的基础上，让游客充分探索自然，培养其尊重自然、分享自然的生态意识。
处于核心区外围的加盟区则以可持续发展为基础，致力于推动和发展与自然文化遗产特征相协调的经济活动。这一区域的核心任务是维系、促进自然环境与人居环境的和谐互动，自然景观、生态系统、相关物种的多样性是其中的重要组成部分。作为自然保护区密不可分的一部分，加盟区体现了协调、合作、共赢，为社会发展提供了一个人与自然和谐发展的参照范式。
虽然核心区是国家公园的建设重点，但在保护、修复核心区的自然环境时，必须突破传统“孤岛式”的自然保护模式，通过绿色基础设施和蓝色基础设施整合生态网络，以核心自然保护区的交汇枢纽功能打造完整的生态共同体。对核心区的保护和管理往往有助于维系甚至加强加盟区自然资源的数量和质量。由于紧邻丰富的自然、文化和景观遗产，加盟区居民的生活质量得以显著改善，这对国家公园的周边地区也具有示范效应。普通民众对探索国家公园核心区的强烈兴趣促进了旅游业的蓬勃发展，而旅游业正是加盟区可持续发展的关键产业。
法国国家公园的核心区以保护为重，加盟区则以发展为重，并与核心区的保护工作相向而行，而不应对其产生负面影响。虽然两区的工作各有侧重，但都需在遵循可持续发展的基础上，统一谋划，协同推进，从而将国家公园打造成名副其实的生态共同体。国家公园的核心区和加盟区生动反映了生态共同体理念，两个区域互惠互利，表明保护自然与经济发展并不矛盾，是可以和谐并进的两大发展目标。
5.法国国家公园建设的独特经验
法国国家公园经过60年的精心建设，成绩斐然，其建设经验主要体现为以下六个方面：
一是执行科研任务。国家公园在核心区建立科学观测站，根据观测内容进行数据监测、记录、统计和分析，制作国家公园简报、地图册、数据库等，并与相关部门进行数据共享。核心区还负责修复受损植被，清除外来入侵物种，根据需求引进物种，实现对自然景观的生态保护和修复。
二是规范日常管理。国家公园布局合理规划，注重日常管理，既能让游客参观好国家公园的自然景观和文化遗产，又能够对游客数量做到整体可控，减少游客数量过多对环境造成的潜在破坏和不利影响。基于这一目标，国家公园管理局设置了合理的参观路径、指示牌、残疾人通道、紧急避难场所等公共设施，提升国家公园内人与自然共处的和谐度。
三是实行多方共建。国家公园吸纳合作伙伴，签订合作协议，与社会各界展开积极合作。通过与合作方的协调共建，帮助他们落实各类环境保护计划。此外，国家公园还对合作方提供技术支持和资金补贴，定期召开工作会议，确保合作方的行为有利于可持续发展和遗产保护。比如：与当地农户共同商定和实施农业环境措施，让农户们既能从事正常的农业生产活动，又不对园内的自然环境造成人为破坏。另外，对参与国家公园核心区管理工作的合作方给予免税待遇。
四是品牌助推经济。自然文化资源的品牌与资质认证可以为地方经济的腾飞插上翅膀，其中最著名的当数联合国教科文组织批准的世界文化与自然遗产名录。法国国家公园品牌也同样助力地区发展，通过授权使用国家公园标志，建立国家公园特许经营机制，支持地区农业经济和旅游产业。依托国家公园打造产品与服务品牌增值体系，凸显了国家公园在经济发展中的品牌效应。
五是开展科普活动。建立国家公园可以促进环保教育，培养公民尊重自然的意识和可持续发展理念。国家公园除了接待公众以外，还联合当地环保部门和行业协会，组织环保主题科普展，举办相关教育培训项目。通过一系列科普教育活动，为法国年轻一代营造浓郁的“自然文化”，让生态文明教育真正做到从娃娃抓起。
六是拓展国际合作。法国国家公园与其他国家的国家公园建立合作关系，并通过国际自然保护联盟、欧洲公园联盟体系等跨国组织展开国际合作。作为法国生物多样性国家战略的主要行动方，法国国家公园有责任兑现法国政府在各种欧洲和国际协议上对国际社会许下的环境承诺，如国际湿地公约、欧洲生物多样性战略、欧盟海洋战略框架指令，欧盟水框架指令、欧盟野生鸟类保护指令、欧盟人居指令等。法国国家公园也正是通过各类国际合作项目，提升了自身在国际社会的认可度和知名度。
从1963年在阿尔卑斯山区划设的瓦努瓦斯国家公园至今，法国国家公园的建设与发展已经走过六十载春秋。法国政府通过国家公园将生态文明建设提升到国家行为的层面，借助法律和政策进行统筹协调、多方共建，兼顾环境保护和社会发展，把国家公园打造成法国绿色经济的示范窗口，提升了法国在国际社会的形象。
穿过悠悠岁月，法国国家公园和法国久负盛名的历史名胜一样，已经成为法兰西文化的重要符号。
《光明日报》（ 2023年01月02日 06版）
