气凝胶是多孔且超轻的纳米结构材料，由凝胶合成而来，其中的液体成分被气体所替代。Kistler在1931年报道了首个二氧化硅制成的气凝胶。到了20世纪90年代，美国国家航空航天局开始将它们用于航天器、太空服和毯子中的隔热材料。自那时起，气凝胶就被用作水下系统、炼油厂、工业管道、建筑物、冰箱以及夹克和鞋垫等服装中的隔热材料。

新型的气凝胶干燥方法可以得到坚固、超轻的树状微结构，其孔径小于100纳米，空隙高达90%-99.8%。由于这些孔隙太小，空气无法穿过，因此气凝胶是极佳的隔热材料。

通过对这些材料的加工工艺进行创新，气凝胶现已被开发出多种用途，有望在隔热以外的应用中发挥作用，如能量储存、催化和给药等。最近，该材料研究中的进展促成了更耐用的选择，相关研究开始侧重于提高其结构的完整性和热学性能。气凝胶还表现出了非粉末材料的高比表面积、低扩散平均自由程、低热导率、低声速、低折射率、低介电常数以及极低的密度（0.0011到约0.5克/立方厘米）等性质。

我们研究了CAS 内容合集 (CAS Content Collection^TM)——全球领先的人工标引科学信息合集，进以了解这些材料的研究进展在哪些领域产生了重大影响。

二氧化硅气凝胶（最早开发的气凝胶）因其轻质、超低密度的特性而被称为“冷冻烟雾”。然而，尽管所有气凝胶都非常轻，但它们并不是所谓的烟雾制成的。

根据成分，气凝胶主要分为三类：无机气凝胶、有机气凝胶和气凝胶复合材料。无机气凝胶不仅包括二氧化硅气凝胶，还包括金属氧化物气凝胶和硫属化物气凝胶，它们通常是由金属醇盐或金属盐等无机前驱体材料合成的。有机气凝胶包括碳气凝胶、碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶和聚合物气凝胶，都是由酚醛树脂等有机前驱体材料合成的。气凝胶复合材料包括混合氧化物气凝胶、气凝胶-金属有机框架 (MOF) 复合材料、气凝胶-Mxene复合材料以及由无机和有机前驱体结合制备的气凝胶。

对CAS 内容合集的分析表明，过去二十年来，与气凝胶有关的出版物数量大幅增长。自2013年以来，专利数量持续上升，有些年份甚至超过了期刊的数量，表明该领域在商业上引起了人们的重视（见图1）。

图1：气凝胶领域的出版物趋势。数据包含2000-2025年的期刊和专利，2025年仅统计1月份数据，来源：CAS内容合集

对于某些类型的气凝胶，专利数量甚至超过了期刊，例如上市多年的无机气凝胶和较新的聚合物气凝胶（见图2）。最新的气凝胶复合材料相关出版物数量较少，期刊数量略高于专利。

图2：不同类型气凝胶的期刊和专利数量，来源：CAS内容合集

我们还分析了CAS 内容合集中来自期刊和专利的前20种标引物质（图3），它们与图2所示的文献数量密切相关。这些物质是特定类型气凝胶最常用的合成材料。

图3：气凝胶领域CAS内容合集排名前20的物质，来源：CAS内容合集

预计气凝胶市场在2025-2035年的复合年增长率将达到约17%。那么科学家们正在开发哪些气凝胶？它们又有哪些潜在应用？

聚合物气凝胶：合成聚合物气凝胶的性能与二氧化硅基气凝胶非常相似，其隔热性能和机械强度明显增强，因此该材料非常适用于航空航天、能量储存和转换以及防护装备（如防弹背心、护膝和运动器材）等领域。生物降解聚合物和生物基聚合物的发展势头也日益强劲，因为这些可持续材料是气凝胶材料的替代品。它们在功能化方面的潜力赋予了它们适用于生物医学应用的特定属性，如组织工程、再生医学和递送系统等。

无机气凝胶：金属氧化物气凝胶因其无机离子晶体结构的固有特性而表现出卓越的热化学稳定性，这使得它们非常适用于催化研究。同样，硫属化物气凝胶主要由优质半导体材料组成，这使得它们在传感器、发光二极管、光伏、光催化和电催化等高级应用中颇具前景。

复合气凝胶：Mxene和基于金属有机框架 (MOF) 的气凝胶复合材料最近才开发出来，仍处于研究阶段。值得注意的是，将二维Mxene片战略性整合至三维多孔气凝胶后，该材料表现出了卓越的导电性、机械鲁棒性和高比电容，性能明显优于传统的超级电容器电极材料。它们的灵活性和轻质特性也使其成为便携式和柔性电子产品的理想选择。

基于MOF材料的气凝胶通过整合MOF的微孔/介孔与气凝胶的介孔/大孔，得到了形态、机械和物理化学特性都更优越的结构，为材料科学带来了革命性变化。这些先进材料已被广泛应用于超级电容器以及催化、给药、传感、能量储存、水处理和环境修复等工艺中。

显然，气凝胶在能量储存、催化和各种生物医学应用中表现出了巨大的潜力。值得注意的是，化妆品和声学（隔音）行业的专利数量比期刊还要多，突显了气凝胶在这些领域的商业化程度（见图4）。

由于气凝胶能够减弱声波的速度和振幅，因此被用作隔音材料。在化妆品领域，气凝胶在面霜中可用于去油光。TiO2-SiO2复合气凝胶具有光保护特性，添加到防晒霜中可提高防晒系数，效果远超传统配方。这些用途证明了气凝胶在改善包括消费品在内所有类型产品的潜力。

图4：少数新兴气凝胶应用的期刊和专利数量，来源：CAS 内容合集

尽管近年来取得了许多进展，气凝胶仍存在机械强度低和质地脆弱等缺点，这有可能限制该材料的应用。复合气凝胶和聚合物气凝胶的开发正在解决这些问题，但要实现更广泛的用途仍需进一步研究。

气凝胶的生产也仍然是一个复杂且耗时的过程，尽管已经实现了实验室规模的生产，但在不牺牲质量和性能的情况下扩大到工业规模生产仍是一个重大难关。此外，研究人员还必须找到降低气凝胶生产成本的方法——这与规模问题息息相关。

气凝胶市场仍处于早期阶段，存在挑战并不奇怪，这些材料的未来是光明的。随着科学家们继续挖掘该材料的潜力，气凝胶将在能源和医学等多个领域发挥更显著的作用。