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世界最輕材料中國造 “碳海綿”立于桃花蕊

世界最輕材料中國造 "碳海綿"立于桃花蕊

2013-03-21 12:23:22

  浙江大學高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠——它刷新了目前世界上最輕材料的紀錄,彈性和吸油能力令人驚喜。這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態材料密度為每立方厘米0.16毫克,僅是空氣密度的1/6。日前,這一進展被《自然》雜志在“研究要聞”欄目中重點配圖評論。

  據介紹,氣凝膠是入選吉尼斯世界紀錄的最輕的一類物質,因其內部有很多孔隙,充斥著空氣,故而得名。1931年,美國科學家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠,外號 “凝固的煙”。2011年,美國HRL實驗室、加州大學歐文分校和加州理工學院合作制備了一種鎳構成的氣凝膠,密度為0.9毫克/立方厘米,創下了當時最輕材料的紀錄。把這種材料放在蒲公英花朵上,柔軟的絨毛幾乎沒有變形——這張照片入選了《自然》雜志年度十大圖片,也給高超留下了深刻印象:能不能制備出一種材料,挑戰這個極限?

  我國的石墨儲備非常豐富,占全世界的2/3。科學家一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨變成石墨烯(一種由碳原子構成的單層片狀結構),其價值可以上升數千倍。”高超的課題組經過五六年的探索,制備出了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。這次,他們打算把石墨烯做成三維多孔材料來沖擊這一紀錄。

  制作簡便

  形狀、尺寸可任意調節,大規模制造成可能

  在實驗室,記者看到了一個個大小不等的“碳海綿”:它們大的如網球,小的如酒瓶塞。在電子顯微鏡下,碳納米管和石墨烯共同支撐起無數個孔隙。

  “就像體育場館等大型空間結構,用鋼筋做支架,用高強度的薄膜等做墻壁,材料整體既輕且強。”課題組博士生孫海燕說,“在這里,碳納米管就是支架,石墨烯就是墻壁。”

  在已報道的成果中,高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀錄保持者——可達到0.16毫克/立方厘米,低于氦氣的密度。相關論文2月18日在線發表在《先進材料》上。但課題組對申報吉尼斯世界紀錄興趣不大,“‘輕’并不是它最大的新意所在”。高超解釋:它的價值在于其簡便的制備方法,以及材料所展現出來的優越性能。

  科學家介紹說,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,科學家主要采用溶膠—凝膠法和模板導向法。前者可以批量合成,但是可控性差;后者能產生有序的結構,但依賴于模板的精細結構和尺寸,難以大量制備。高超課題組另辟蹊徑,探索出無模板冷凍干燥法: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”,并且可以任意調節形狀,令生產過程更加便捷,也使這種超輕材料的大規模制造和應用成為可能。

  “不需要模板,只與容器有關。容器多大,就可以制備多大,可以做到上千立方厘米,甚至更大。”高超說。

  性能優越

  高彈性、強吸附,應用前景廣闊

  《自然》雜志點評的標題是:《固體碳:彈性而輕盈》,認為這一新生事物的性能令人驚喜。

  據介紹,“碳海綿”具備高彈性,被壓縮80%后仍可恢復原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力,是迄今已報道的吸油力最高的材料。現有的吸油產品一般只能吸自身質量10倍左右的液體,而“碳海綿”的吸收量是250倍左右,最高可達900倍,而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機物的速度極快:每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機物。這讓人想到用它來處理海上的漏油,“可以把它們撒在海面上,就能把漏油迅速地吸收進來,因為有彈性,吸的油能夠被壓出來回收利用,‘碳海綿’也可以重新使用。”科研人員表示。

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