中国浙江大学制造出世界最轻材料:超轻气凝胶
浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶——它刷新了目前世界上最轻材料的纪录,弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6【腾讯科学注:如根据空气在一个标准大气压、25℃室温条件下密度是每立方厘米1.18毫克计算,这里应该为空气密度的1/7较合适;如根据空气在0℃条件下密度是每立方厘米1.29毫克计算,这里应该为空气密度的1/8较合适】。日前,这一进展被《自然》杂志在“研究要闻”栏目中重点配图评论。
3月19日,实验室的一位研究人员利用玻璃棒摩擦静电吸附起一块“全碳气凝胶”的固态材料。鞠焕宗摄

  据介绍,气凝胶是入选吉尼斯世界纪录的最轻的一类物质,因其内部有很多孔隙,充斥着空气,故而得名。1931年,美国科学家用二氧化硅制得了最早的气凝胶,外号 “凝固的烟”。2011年,美国HRL实验室、加州大学欧文分校和加州理工学院合作制备了一种镍构成的气凝胶,密度为0.9毫克/立方厘米,创下了当时最轻材料的纪录。把这种材料放在蒲公英花朵上,柔软的绒毛几乎没有变形——这张照片入选了《自然》杂志年度十大图片,也给高超留下了深刻印象:能不能制备出一种材料,挑战这个极限?

  我国的石墨储备非常丰富,占全世界的2/3。科学家一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨变成石墨烯(一种由碳原子构成的单层片状结构),其价值可以上升数千倍。”高超的课题组经过五六年的探索,制备出了一维的石墨烯纤维和二维的石墨烯薄膜。这次,他们打算把石墨烯做成三维多孔材料来冲击这一纪录。

  制作简便

  形状、尺寸可任意调节,大规模制造成可能

  在实验室,记者看到了一个个大小不等的“碳海绵”:它们大的如网球,小的如酒瓶塞。在电子显微镜下,碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙。

  “就像体育场馆等大型空间结构,用钢筋做支架,用高强度的薄膜等做墙壁,材料整体既轻且强。”课题组博士生孙海燕说,“在这里,碳纳米管就是支架,石墨烯就是墙壁。”

  在已报道的成果中,高超课题组制备的“碳海绵”仍是最轻纪录保持者——可达到0.16毫克/立方厘米,低于氦气的密度。相关论文2月18日在线发表在《先进材料》上。但课题组对申报吉尼斯世界纪录兴趣不大,“‘轻’并不是它最大的新意所在”。高超解释:它的价值在于其简便的制备方法,以及材料所展现出来的优越性能。

  科学家介绍说,气凝胶的基本制备原理是除去凝胶中的溶剂,让其保留完整的骨架。在以往制备气凝胶的案例中,科学家主要采用溶胶—凝胶法和模板导向法。前者可以批量合成,但是可控性差;后者能产生有序的结构,但依赖于模板的精细结构和尺寸,难以大量制备。高超课题组另辟蹊径,探索出无模板冷冻干燥法:将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干,便获得了“碳海绵”,并且可以任意调节形状,令生产过程更加便捷,也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。

  “不需要模板,只与容器有关。容器多大,就可以制备多大,可以做到上千立方厘米,甚至更大。”高超说。

  性能优越

  高弹性、强吸附,应用前景广阔

  《自然》杂志点评的标题是:《固体碳:弹性而轻盈》,认为这一新生事物的性能令人惊喜。

  据介绍,“碳海绵”具备高弹性,被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力,是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体,而“碳海绵”的吸收量是250倍左右,最高可达900倍,而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有机物的速度极快:每克这样的“碳海绵”每秒可以吸收68.8克有机物。这让人想到用它来处理海上的漏油,“可以把它们撒在海面上,就能把漏油迅速地吸收进来,因为有弹性,吸的油能够被压出来回收利用,‘碳海绵’也可以重新使用。”科研人员表示。

  目前,实验室正在对这一材料的吸附性能进行进一步的应用性研究。科研人员说,“碳海绵”还可能成为理想的相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。不过,这一新生材料就如呱呱坠地的婴儿,科学家还很难准确预计其应用领域与前景,还得依靠社会以及产业界的想象力,让这个新材料走出实验室,实现应用价值。
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来自:仪器与装备 / 机械与工具
25
胜汪大仙 作者
9年4个月前
1楼
补图一张,转自X网 6D2A556536C693A8241B426B8ED43781.jpg
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武装大包子
9年4个月前
2楼
这个密度如何测?其内部的空隙体积算材料体积么?
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rb-sama
9年4个月前
3楼
假密度。。。
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小猪
9年4个月前
4楼
这......我想知道如果它真是这样的密度的话为什么要用带电玻璃棒吸起来,怎么能在花上停留...不是应该飘起来吗?......有种好假的感觉......
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jian
9年4个月前
5楼
好强大,给我用这个做个车,哈哈飞快
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power_rdx
9年4个月前
6楼
回 4楼(小猪) 的帖子
为了更好地忽悠读者,在计算密度时故意减去材料中空气的重量。所以,这种材料只有在真空中才能达到文中所示的密度数据。

就好像说:一群叫兽吹了一个大气球出来,气球里面是空气,很重,没法飘上天。但是他们说,气球里面的空气不属于材料本身,不应计算重量,所以我们的气球密度比氦气还低。
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武装大包子
9年4个月前
7楼
回 5楼(jian) 的帖子
来北京吧~你的车专为人民服雾
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zx-16533
9年4个月前
8楼
估计要把材料的空隙抽真空然后密封才能飘起来
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rb-sama
9年4个月前
9楼
回 6楼(power_rdx) 的帖子
看了楼上大家。。看来这么简单的一个概念性问题还是能迷糊不少人啊。。。
其实很简单的数学推算就能解释。。

文中所说的“密度P1”是把包括空气在内的体积V1算作计算中的体积。
这种密度叫做假密度。而实际的密度是C的密度P2。
而这种材料的本体体积是V2。也就是碳元素本身的体积。

其中空气质量和C质量相比可忽略。故重量M恒定。
那么可以得出两个公式。
P1=M/V1
P2=M/V2

V1>>V2 所以有文中“最轻”材料一说。

而实际上碳材料的密度是大于空气的。
由此。M=P1V1 M空=P空V1 。
V1恒定。
可得M>M空。
在总重量上。不管如何。这团材料是比同等体积空气受到重力更大的。
所以根本不可能浮起来。。。
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武装大包子
9年4个月前
10楼
看明白咯,也就是说这种材料做成飞机状从高处扔着玩应该不错
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whgh
9年4个月前
11楼
硬度如何?是不是可以这样解释,弄个气球,里面是这种材料但不含空气,就可以飞起来啦?
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玄明
9年4个月前
12楼
回 11楼(whgh) 的帖子
硬度需要配合石墨烯这种变态材料,但差不多最后也只能打个平手。

我觉得这种材料可以充入轮胎里面做内胎,这样车轮既轻又不用打气。
当然也可以用在飞艇和气球上,这样即使气囊被机枪扫射,也不会马上掉下来。
最动人的情景也许是用在服装上,得益于如此恐怖的多孔特性,北极绒那样的忽悠货便真的有可能变为现实。以后爱美的女生们可以穿着黑丝在北冰洋里游泳了。也可以在珠峰顶端的某个单层帐篷里暖乎乎的和男朋友玩十八摸了……
+1
科创币
摩比
2013-03-22
十八摸亮了
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whgh
9年4个月前
13楼
在想,如果中间不以空气填充而是中空的,那它能承受的住一个大气压吗?
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德库拉
9年4个月前
14楼
回 12楼(玄明) 的帖子
哈哈 看来应用前景十分广阔啊
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power_rdx
9年4个月前
15楼
回 11楼(whgh) 的帖子
很明显,这种材料不具备良好的气密性,其强度也无法支撑正常大气的压力
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向钱看向厚赚
9年4个月前
16楼
回 5楼(jian) 的帖子
你用这个辛辛苦苦造一辆车,然后一阵微风他就灰了
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玄明
9年4个月前
17楼
回 16楼(向钱看向厚赚) 的帖子
这玩意是软的,只能用来做车辆的隔温材料。做车体跑100公里回来,大概会发现前脸里嵌进去100只苍蝇蜻蜓。
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宅人
9年4个月前
18楼
回 楼主(胜汪大仙) 的帖子
忽悠人的文章啊啊。。。。我一开始看到那张用玻璃棒和气凝胶挨一块的照片,以为是用小棒挡住向上漂浮的气凝胶呢。。。。
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bg8npk
9年4个月前
19楼
回 12楼(玄明) 的帖子
在保温性能上应该会有前景
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玄明
9年4个月前
20楼
又仔细看了一遍,发现这个“发明”果然是个超级大忽悠!

首先注意这句话:“高超的课题组经过五六年的探索,制备出了一维的石墨烯纤维和二维的石墨烯薄膜。这次,他们打算把石墨烯做成三维多孔材料来冲击这一纪录。”

在这里我想我们必须要先了解一下所谓的石墨烯薄膜是神马玩意儿,石墨烯是一种很坚硬的薄膜,强度是钢铁的上百倍。所谓的石墨纤维其实和前些年被炒得很热闹的碳纳米管其实是一种东西,这两样的一个最显著缺点就是结实,非常的结实……所以,现在一个另人尴尬的情况就出现了:在实验室中碳纳米管和石墨烯薄膜的制备都是比较成熟的技术,这个研究所把以上两样做出来一堆,糅在一起发现很轻,于是它们就变成了“气凝胶”?!

气凝胶的传统定义应当是胶状混合物去除内部溶剂后得到的一个充满孔隙的蜂窝状多孔固体,其材质是连续的,而非机械垒砌结构。这就好像钢铁明明是很简单很普通的东西,但你把钢铁做成薄膜和铁丝卷在一起发现比普通铁块轻,于是一个新材料就诞生了?这个逻辑是不是太荒唐了一点呢?

关于石墨烯的资料可移步这里:比钢铁坚硬上百倍的新材料?还透明?还比银更导电?
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jian
9年4个月前
21楼
Re:回 5楼(jian) 的帖子
引用第16楼向钱看向厚赚于2013-03-22 17:24发表的 回 5楼(jian) 的帖子 :
你用这个辛辛苦苦造一辆车,然后一阵微风他就灰了

开的时候偶还是很重的,不开的时候就拴住
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小猪
9年4个月前
22楼
回 6楼(power_rdx) 的帖子
知道的,只是吐槽一下......好吧......
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自由的野牛
9年4个月前
23楼
有点像什么东西烧了后留下的烟灰
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天然云翔
6年4个月前
24楼
无非就是冻干以后的东西吧
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