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氣凝膠

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  姜經(jīng)理  

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氣凝膠是指通過溶膠凝膠法，用一定的干燥方式使氣體取代凝膠中的液相而形成的一種納米級(jí)多孔固態(tài)材料。如明膠、阿拉伯膠、硅膠、毛發(fā)、指甲等。氣凝膠也具凝膠的性質(zhì)，即具膨脹作用、觸變作用、離漿作用。 

氣凝膠是世界上最輕的固體。

 

定義

氣凝膠是一種固體物質(zhì)形態(tài)，世界上密度最小的固體。密度為3千克每立方米。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠，其最早由美國(guó)科學(xué)工作者Kistler在1931年因與其友打賭制得。氣凝膠的種類很多，有硅系，碳系，硫系，金屬氧化物系，金屬系等等。aerogel是個(gè)組合詞，此處aero是形容詞，表示飛行的，gel顯然是凝膠。字面意思是可以飛行的凝膠。任何物質(zhì)的gel只要可以經(jīng)干燥后除去內(nèi)部溶劑后，又可基本保持其形狀不變，且產(chǎn)物高孔隙率、低密度，則皆可以稱之為氣凝膠。

因?yàn)槊芏葮O低，最輕的氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米，比空氣密度略低，所以也被叫做“凍結(jié)的煙”或“藍(lán)煙”。由于里面的顆粒非常?。{米量級(jí)），所以可見光經(jīng)過它時(shí)散射較?。ㄈ鹄⑸洌?，就像陽(yáng)光經(jīng)過空氣一樣。因此，它也和天空一樣看著發(fā)藍(lán)（如果里面沒有摻雜其它東西），如果對(duì)著光看有點(diǎn)發(fā)紅。（天空是藍(lán)色的，而傍晚的天空是紅色的）。由于氣凝膠中一般80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間，玫瑰也會(huì)絲毫無(wú)損。氣凝膠在航天探測(cè)上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”的探測(cè)器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，使用來(lái)作為切連科夫效應(yīng)的探測(cè)器。位在高能加速器研究機(jī)構(gòu)B介子工廠的Belle 實(shí)驗(yàn)探測(cè)器中一個(gè)稱為氣凝膠切連科夫計(jì)數(shù)器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鑒別器，就是一個(gè)最新的應(yīng)用實(shí)例。這個(gè)探測(cè)器利用的氣凝膠的介于液體與氣體之低折射系數(shù)特性，還有其高透光度與固態(tài)的性質(zhì)，優(yōu)于傳統(tǒng)使用低溫液體或是高壓空氣的作法。同時(shí)，其輕量的性質(zhì)也是優(yōu)點(diǎn)之一。

 

特性

這種新材料密度僅為3.55千克每立方米，僅為空氣密度的2.75倍；干燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。這種物質(zhì)看上去像凝固的煙，但它的成分與玻璃相似。由于它的密度極小，用于航空航天方面非常合適。美宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室瓊斯博士研制出的新型氣凝膠，主要由純二氧化硅等組成。在制作過程中，液態(tài)硅化合物首先與能快速蒸發(fā)的液體溶劑混合，形成凝膠，然后將凝膠放在一種類似加壓蒸煮器的儀器中干燥，并經(jīng)過加熱和降壓，形成多孔海綿狀結(jié)構(gòu)。瓊斯博士最終獲得的氣凝膠中空氣比例占到了99.8%。

氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時(shí)也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實(shí)非常堅(jiān)固耐用，最高能承受1400攝氏度的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測(cè)上有多種用途。俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”探測(cè)器上，都用到了氣凝膠材料。

美國(guó)國(guó)家宇航局研制出的一種新型氣凝膠，由于密度只有每立方厘米3毫克，曾作為“世界上密度最低的固體”入選《吉尼斯世界紀(jì)錄》。

2013年2月27日，中國(guó)浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程系實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)制作，由高超教授（中國(guó)）領(lǐng)導(dǎo)制作的石墨烯氣凝膠，密度僅為0.16 mg / cm³。創(chuàng)造了新的吉尼斯世界紀(jì)錄。該材料于2013年2月27日在《自然》雜志上公布。

這種氣凝膠呈半透明淡藍(lán)色，重量極輕，因此人們也把它稱為“固態(tài)煙”。新型氣凝膠是由美國(guó)國(guó)家宇航局下屬的“噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”材料科學(xué)家史蒂芬·瓊斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一樣也是二氧化硅，但因?yàn)樗?9.8%都是空氣，所以密度只有玻璃的千分之一。

氣凝膠貌似“弱不禁風(fēng)”，其實(shí)非常堅(jiān)固耐用。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在溫度達(dá)到1200攝氏度時(shí)才會(huì)熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強(qiáng)39倍。由于具備這些特性，氣凝膠便成為航天探測(cè)中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”探測(cè)器都用它來(lái)進(jìn)行熱絕緣。

氣凝膠在航天中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，美國(guó)國(guó)家宇航局的“星塵”號(hào)飛船正帶著它在太空中執(zhí)行一項(xiàng)十分重要的使命———收集彗星微粒?？茖W(xué)家認(rèn)為，彗星微粒中包含著太陽(yáng)系中最原始、最古老的物質(zhì)，研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽(yáng)和行星的歷史。2006年，“星塵”號(hào)飛船將帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。

但收集彗星星塵并不是件容易的事，它的速度相當(dāng)于步槍子彈的6倍，盡管體積比沙粒還要小，可是當(dāng)它以如此高速接觸其它物質(zhì)時(shí)，自身的物理和化學(xué)組成都有可能發(fā)生改變，甚至完全被蒸發(fā)。如今科學(xué)家有了氣凝膠，這個(gè)問題就變得很簡(jiǎn)單了。它就像一個(gè)極其柔軟的棒球手套，可以輕輕地消減彗星星塵的速度，使它在滑行一段相當(dāng)于自身長(zhǎng)度200倍的距離后慢慢停下來(lái)。在進(jìn)入“氣凝膠手套”后，星塵會(huì)留下一段胡蘿卜狀的軌跡，由于氣凝膠幾乎是透明的，科學(xué)家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。

 

制備方法

氣凝膠最初是由S.Kistler命名，由于他采用超臨界干燥方法成功制備了二氧化硅氣凝膠，故將氣凝膠定義為：濕凝膠經(jīng)超臨界干燥所得到的材料，稱之為氣凝膠。在90年代中后期，隨著常壓干燥技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，90年代中后期普遍接受的氣凝膠的定義是：不論采用何種干燥方法，只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代，同時(shí)凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結(jié)構(gòu)特征是擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率，其體密度在0.003-0.500 g/cm-3范圍內(nèi)可調(diào)。（空氣的密度為0.00129 g/cm-3）。

氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構(gòu)成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件，在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團(tuán)簇，團(tuán)簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態(tài)骨架周圍則充滿化學(xué)反應(yīng)后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞，采用超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內(nèi)的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體，氣液界面消失，表面張力不復(fù)存在，此時(shí)將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無(wú)序、具有納米量級(jí)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度氣凝膠材料。

 

作用

研究領(lǐng)域

在分形結(jié)構(gòu)研究方面。硅氣凝膠作為一種結(jié)構(gòu)可控的納米多孔材料，其表現(xiàn)密度明顯依賴于標(biāo)度尺寸，在一定尺度范圍內(nèi)，其密度往往具有標(biāo)度不變性，即密度隨尺度的增加而下降，而且具有自相似結(jié)構(gòu)，在氣凝膠分形結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究方面的結(jié)構(gòu)還表明，在不同尺度范圍內(nèi)，有三個(gè)色散關(guān)系明顯不同的激發(fā)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)于聲子、分形子和粒子模的激發(fā)。改變氣凝膠的制備條件，可使其關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度在兩個(gè)量級(jí)的范圍內(nèi)變化。因此硅氣凝膠已成為研究分形結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)行為的最佳材料。 

1、在“863”高技術(shù)強(qiáng)激光研究方面

納米多孔材料具有重要應(yīng)用價(jià)值，如利用低于臨界密度的多孔靶材料，可望提高電子碰撞激發(fā)產(chǎn)生的X光激光的光束質(zhì)量，節(jié)約驅(qū)動(dòng)能，利用微球形節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的新型多孔靶，能夠?qū)崿F(xiàn)等離于體三維絕熱膨脹的快速冷卻，提高電子復(fù)合機(jī)制 產(chǎn)生的x光激光的增益系數(shù)，利用超低密度材料吸附核燃料，可構(gòu)成激光慣性約束聚變的高增益冷凍靶。氣凝膠纖細(xì)的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、結(jié)構(gòu)介觀尺度上可控，成為研制新型低密度靶的最佳候選材料。

2、在作為隔熱材料方面

硅氣凝膠纖細(xì)的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地限制了局域熱激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導(dǎo)率比相應(yīng)的玻璃態(tài)材料低2—3個(gè)數(shù)量級(jí)。納米微孔洞抑制了氣體分子對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)。硅氣凝膠的折射率接近l，而且對(duì)紅外和可見光的湮滅系數(shù)之比達(dá)100以上，能有效地透過太陽(yáng)光，并阻止環(huán)境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽(yáng)能利用和建筑物節(jié)能方面已經(jīng)得到應(yīng)用。通過摻雜的手段，可進(jìn)一步降低硅氣凝膠的輻射熱傳導(dǎo)，常溫常壓下?lián)教細(xì)饽z的熱導(dǎo)率可低達(dá)0．013w/m·K，是熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料，可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。摻入二氧化鈦可使硅氣凝膠成為新型高溫隔熱材料，800K時(shí)的熱導(dǎo)率僅為0．03w/m·K，作為軍品配套新材料將得到進(jìn)一步發(fā)展。

由于硅氣凝膠的低聲速特性，它還是一種理想的聲學(xué)延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103—107 kg/m2·s)，是一種較理想的超聲探測(cè)器的聲阻耦合材料，如常用聲阻匝Zp=1．5×l07 kg/m2·s的壓電陶瓷作為超聲波的發(fā)生器和探測(cè)器，而空氣的聲阻只有400 kg/m2·s。用厚度為l/4波長(zhǎng)的硅氣凝膠作為壓電陶瓷與空氣的聲阻耦合材料．可提高聲波的傳輸效率，降低器件應(yīng)用中的信噪比。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，密度在300 kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料，能使聲強(qiáng)提高30 dB，如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠，可望得到更高的聲強(qiáng)增益。

在環(huán)境保護(hù)及化學(xué)工業(yè)方面。納米結(jié)構(gòu)的氣凝膠還可作為新型氣體過濾 ，與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻，氣孔率高，是一種高效氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表而積．氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應(yīng)用前景。

3、在儲(chǔ)能器件方面

有機(jī)氣凝膠經(jīng)過燒結(jié)工藝處理后將得到碳?xì)饽z 這種導(dǎo)電的多孔材料是繼纖維狀活性碳以后發(fā)展起來(lái)的一種新型碳素材料，它具有很大的比表面積(600—1000 m2/g)和高電導(dǎo)率(10—25 s/cm)．而且，密度變化范圍廣(0.05—1.0 g/cm3)．如在其微孔洞內(nèi)充入適當(dāng)?shù)碾娊庖?，可以制成新型可充電電池，它具有?chǔ)電容量大、內(nèi)阻小、重量輕、充放電能力強(qiáng)、可多次重復(fù)使用等優(yōu)異特性，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：碳?xì)饽z的充電容量達(dá)3×104/kg2，功率密度為7 kw/kg，反復(fù)充放電性能良好。

在材料的量子尺寸效應(yīng)研究方面。由于硅氣凝膠的納米網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，化學(xué)氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結(jié)果表明，摻雜劑是以納米晶粒的形式存在，并觀察到很強(qiáng)的可見光發(fā)射，為多孔硅的量子限制效應(yīng)發(fā)光提供了有力證據(jù)。利用硅氣凝膠的結(jié)構(gòu)以及C60的非線性光學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)一步研制新型激光防護(hù)鏡。通過摻雜的方法還是形成納米復(fù)合相材料的有效手段。

此外，硅氣凝膠是折射率可調(diào)的材料，使用不同密度的氣凝膠介質(zhì)作為切倫柯夫閥值探測(cè)器，可確定高能粒子的質(zhì)量和能量。因高速粒子很容易穿入多孔材料并逐步減速，實(shí)現(xiàn)“軟著陸”，如選用透明氣凝膠在空間捕獲高速粒子，可用肉眼或顯微鏡觀察被阻擋、捕獲的粒子。

作為一種新型納米多孔材料，除硅氣凝膠外，已研制的還有其它單元、二元或多元氧化物氣凝膠、有機(jī)氣凝膠及碳?xì)饽z。作為一種獨(dú)特的材料制備手段，相關(guān)的工藝在其它新材料研制中得到廣泛應(yīng)用，如制備氣孔率極高的多孔硅、制備高性能催化劑的金屬—氣凝膠混合材料、高溫超導(dǎo)材料、超細(xì)陶瓷粉末等。

 

研究單位

2013年國(guó)際上關(guān)于氣凝膠材料的研究工作主要集中在德國(guó)的維爾茨堡大學(xué)、BASF公司、美國(guó)的勞倫茲·利物莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，法國(guó)的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等。國(guó)內(nèi)主要集中在同濟(jì)大學(xué)波爾固體物理實(shí)驗(yàn)室、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、納諾科技有限公司及廣東埃力生高新科技有限公司。

 

其他用途

1、制作火星探險(xiǎn)宇航服

2002年，美國(guó)宇航局成立了一家公司，專門生產(chǎn)更結(jié)實(shí)更有韌性的氣凝膠。美國(guó)宇航局2013年已經(jīng)確定，在2018年火星探險(xiǎn)時(shí)，宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。該公司的資深科學(xué)家馬克·克拉杰沃斯基說，只要在宇航服中加入一個(gè)18毫米厚的氣凝膠層，那么它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫。“這是我見過的最有效的恒溫材料。”馬克如是說。

2、防彈不怕被炸

防彈是新型氣凝膠的第二個(gè)重要用途。美國(guó)宇航局的這家公司正在對(duì)用氣凝膠建造的住所和軍車進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)室的試驗(yàn)情況來(lái)看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算炸藥直接炸中，對(duì)金屬片也分毫無(wú)傷。

3、可處理生態(tài)災(zāi)難

環(huán)保是新型氣凝膠的第三個(gè)重要作用。科學(xué)家們將氣凝膠親切地稱為“超級(jí)海綿”，因?yàn)槠浔砻嬗谐砂偕锨f(wàn)的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國(guó)科學(xué)家新發(fā)明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據(jù)這位科學(xué)家稱，這種氣凝膠是處理生態(tài)災(zāi)難的絕好材料，比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后，72000噸原油外泄，如果當(dāng)時(shí)用上這種材料的話，那么就不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)海岸受到嚴(yán)重的污染。

4、網(wǎng)球拍擊球能力更強(qiáng)

新型氣凝膠也將步入我們每個(gè)人的未來(lái)日常生活。比如說美國(guó)的Dunlop體育器材公司已經(jīng)成功研發(fā)了含有氣凝膠的網(wǎng)球拍。這種網(wǎng)球拍據(jù)說擊球的能力更強(qiáng)；2012年年初，66歲的鮑博·斯托克成為第一個(gè)將氣凝膠用于住房的英國(guó)人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調(diào)的溫度下降了5℃，結(jié)果室內(nèi)的溫度仍然非常舒適。”登山者也對(duì)氣凝膠的運(yùn)用充滿了希望。英國(guó)登山家安尼·帕爾門特2011年登珠峰時(shí)所穿的鞋子就是使用了部分氣凝膠材料，他的睡袋里也有一層這種新材料。

 

超輕

 

背景介紹

浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠。它刷新了世界上最輕材料的紀(jì)錄，擁有高彈性和強(qiáng)吸油能力。這種被稱為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度為每立方厘米0.16毫克（拋出空氣密度），僅是空氣密度的1/6。 專家介紹，氣凝膠是入選吉尼斯世界紀(jì)錄的最輕的一類物質(zhì)，因其內(nèi)部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。 1931年，美國(guó)科學(xué)家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠，外號(hào) “凝固的煙”。2011年，美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)歐文分校和加州理工學(xué)院合作制備了一種鎳構(gòu)成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)最輕材料的紀(jì)錄。把這種材料放在蒲公英花朵上，柔軟的絨毛幾乎沒有變形。 我國(guó)的石墨儲(chǔ)備非常豐富，占全世界的2/3?？茖W(xué)研究人員一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨變成石墨烯（一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)），其價(jià)值可以上升數(shù)千倍。”高超的課題組經(jīng)過五六年的探索，制備出了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。打算把石墨烯做成三維多孔材料來(lái)打破這美國(guó)科學(xué)家的紀(jì)錄。

• 制作簡(jiǎn)便，其形狀、尺寸可任意調(diào)節(jié)

在世界已誕生的成果中，高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀(jì)錄保持者?？蛇_(dá)到0.16毫克/立方厘米，低于氦氣的密度。

• 大規(guī)模制造成可能

科學(xué)家聲稱，氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往制備氣凝膠的案例中，科學(xué)家主要采用溶膠—凝膠法和模板導(dǎo)向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產(chǎn)生有序的結(jié)構(gòu)，但依賴于模板的精細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸，難以大量制備。

高超課題組另辟蹊徑，探索出無(wú)模板冷凍干燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，并且可以任意調(diào)節(jié)形狀，令生產(chǎn)過程更加便捷，也使這種超輕材料的大規(guī)模制造和應(yīng)用成為可能。

• 性能優(yōu)越，高彈性、強(qiáng)吸附，應(yīng)用前景廣闊

據(jù)專家介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對(duì)有機(jī)溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報(bào)道的吸油力最高的材料?，F(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達(dá)900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機(jī)物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機(jī)物。 20世紀(jì)，實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)這一材料的吸附性能進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用性研究?？蒲腥藛T聲稱，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲(chǔ)能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復(fù)合材料。不過很難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)其應(yīng)用領(lǐng)域與前景，還得依靠社會(huì)以及產(chǎn)業(yè)界的想象力，讓這個(gè)新材料走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。

 

本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目 審核 。