中國浙江大學(xué)制造出世界最輕材料

老鷹

3月19日，實(shí)驗(yàn)室的一位研究人員利用玻璃棒摩擦靜電吸附起一塊“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料。新華社記者 鞠煥宗攝。
0 G, k" i  B/ r0 ~, l: T2 s4 u; T
: t  R! L0 H; T: e0 l8 ^) N7 ]約8立方厘米的“碳海綿”立在桃花花蕊上。
4 V7 {- e2 G% d6 [
5 e! {- m# V! k+ W3 G

& P, m" D: n% B( `& L4 Q8 r) u. w* j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——它刷新了目前世界上最輕材料的紀(jì)錄，彈性和吸油能力令人驚喜。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，僅是空氣密度的1/6【騰訊科學(xué)注：如根據(jù)空氣在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、25℃室溫條件下密度是每立方厘米1.18毫克計(jì)算，這里應(yīng)該為空氣密度的1/7較合適；如根據(jù)空氣在0℃條件下密度是每立方厘米1.29毫克計(jì)算，這里應(yīng)該為空氣密度的1/8較合適】。日前，這一進(jìn)展被《自然》雜志在“研究要聞”欄目中重點(diǎn)配圖評論。

: j1 @' A) q& d- y據(jù)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，美國科學(xué)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(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——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(zhàn)這個(gè)極限？

我國的石墨儲備非常豐富，占全世界的2/3?？茖W(xué)家一直在探索石墨高效利用的方法?！鞍咽兂墒ㄒ环N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?！备叱恼n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。這次，他們打算把石墨烯做成三維多孔材料來沖擊這一紀(jì)錄。
6 u4 ?9 l0 B- c% P! M+ E- o; H* ?
制作簡便
4 [; w) k) o3 I- P
6 ^7 {3 x' L' s: Z. l2 ^% o. N5 U形狀、尺寸可任意調(diào)節(jié)，大規(guī)模制造成可能
! ^9 ^& D" g! }/ F; P+ V在實(shí)驗(yàn)室，記者看到了一個(gè)個(gè)大小不等的“碳海綿”：它們大的如網(wǎng)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(shù)個(gè)孔隙。
8 s$ H! _9 o/ M: T( P
“就像體育場館等大型空間結(jié)構(gòu)，用鋼筋做支架，用高強(qiáng)度的薄膜等做墻壁，材料整體既輕且強(qiáng)。”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?！?font class="jammer">1 j5 `/ Y" C# R) j0 L

在已報(bào)道的成果中，高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀(jì)錄保持者——可達(dá)到0.16毫克/立方厘米，低于氦氣的密度。相關(guān)論文2月18日在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。但課題組對申報(bào)吉尼斯世界紀(jì)錄興趣不大，“‘輕’并不是它最大的新意所在”。高超解釋：它的價(jià)值在于其簡便的制備方法，以及材料所展現(xiàn)出來的優(yōu)越性能。
; F( x; m& p* R3 N* d$ Q$ C  c; _
科學(xué)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(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。
“不需要模板，只與容器有關(guān)。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?！备叱f。
; b8 n/ Y, e; _$ b9 ?4 |
性能優(yōu)越
# a4 ~, Z4 W6 q  ]3 w3 S高彈性、強(qiáng)吸附，應(yīng)用前景廣闊
《自然》雜志點(diǎn)評的標(biāo)題是：《固體碳：彈性而輕盈》，認(rèn)為這一新生事物的性能令人驚喜。
據(jù)介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對有機(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?！按笪竿酢背杂袡C(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。這讓人想到用它來處理海上的漏油，“可以把它們?nèi)鲈诤Ｃ嫔?，就能把漏油迅速地吸收進(jìn)來，因?yàn)橛袕椥?，吸的油能夠被壓出來回收利用，‘碳海綿’也可以重新使用?！笨蒲腥藛T表示。

7 j: B3 s5 o2 |( F+ @" X6 @3 b5 g目前，實(shí)驗(yàn)室正在對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說，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復(fù)合材料。不過，這一新生材料就如呱呱墜地的嬰兒，科學(xué)家還很難準(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。
* X2 S+ [2 s0 H& ]: j) s9 ^

LIAOYAO

“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度為每立方厘米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6~1/8（溫度不同的差異）低于氦氣的密度。
3 |) p1 }5 s; \* \
" \$ f  Q7 C. o6 e+ o" A/ ~) L1 M& @那么是否可以直接漂飛？而不是“立在桃花花蕊上”  {:soso_e132:}

未來第一站

老大撞貼了給我的刪了吧

第15軍軍長

我剛剛從騰訊的彈窗里看到。它立在花蕾上怎么沒漂起來。是不是因?yàn)殪o電力什么的大于浮力。
額，我想應(yīng)該是這樣的。這個(gè)材料是有很多孔隙的，每立方厘米重0.16mg，但是，浮力等于物體排開空氣的質(zhì)量，該材料排開空氣的質(zhì)量小于0.19，所以，不會上浮。

孤若流星

給力

楓風(fēng)coco

LIAOYAO 發(fā)表于 2013-3-21 21:24
“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度為每立方厘米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6~1/8（溫度不同的差異）低于氦氣的密 ...

這個(gè)每立方厘米可以理解為它的表體積，就是你用六根一米的棍子搭出一個(gè)立方體，我們可以說它的體積是一立方米，棍子的總重量除以這個(gè)體積，就是這里所說的密度，完全可能比氦氣輕，可是它在空氣中卻不會飄起來，就是這個(gè)道理。


3 b* k2 Y0 {8 ]6 ?/ y$ W

第15軍軍長

剛剛我在想，如果往氣凝膠里填充碳，讓它的密度變大，那么，它的浮力和質(zhì)量都將變大，那么是否在填充到某個(gè)程度時(shí)，它就會浮起來。推了半天，突然想到，一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。我們被密度給迷惑了。雖然他密度比空氣小，但是，這里的體積是不一樣的，這里計(jì)算密度連空氣的體積都算入了，所以密度很小。但浮力是物體排開空氣的質(zhì)量。所以，如果算浮力，實(shí)質(zhì)就和你拿個(gè)碳放空氣中一樣，所以只要碳納米管的密度大于空氣，他就不可能浮起來。因此，如果想讓他像氣球一樣浮起來是不可能的，但是，如果強(qiáng)度足夠，就可以像鋁合金、碳纖維一樣用，減輕產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，我前面的猜測就是個(gè)肯定的答案了。
   所以，問題關(guān)鍵在密度上，我們被迷惑了。

kenily

認(rèn)真看：“氣凝膠”是半固體狀態(tài)的凝膠經(jīng)干燥、去除溶劑后的產(chǎn)物，外表呈固體狀，內(nèi)部含有眾多孔隙，充斥著空氣，因而密度極小?！?
- o: |: N4 w% p: x% f2 @
他的密度不是計(jì)算一塊毫無縫隙的固體材料塊的密度，而是充滿空氣的一個(gè)海綿體的密度，密度計(jì)算是質(zhì)量/體積。這里的質(zhì)量沒算空氣，體積卻是充斥過空氣的體積

kenily

LIAOYAO 發(fā)表于 2013-3-21 21:24
9 ?7 |" ^! o2 g' G9 ]3 ^“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度為每立方厘米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6~1/8（溫度不同的差異）低于氦氣的密 ...

繼續(xù)解釋下：很簡單的問題，他說的密度是表觀密度而不是實(shí)際密度，即重量除以材料占有的體積，而不是實(shí)際的體積。

+ G) I2 K% S2 x7 }舉簡單例子，中空的鋼鐵——》輪船可以附在水面上，是因?yàn)樗?表觀 密度：重量除以鋼鐵占有的體積，小于水。但是鋼鐵自身的實(shí)際密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水。
9 d! Z, q6 _0 p" ?# v

這里的材料，他同樣也是中空，所以這個(gè) 表觀 密度小于空氣是沒問題的。為什么他沒有浮在空中，是因?yàn)樗闹锌盏目障独锒际强諝?，沒有被抽成真空。

這就跟輪船里灌滿了水必然會沉下去一樣。

=========================================================
PS:這個(gè)材料沒什么新意，納米碳材料界shi gaoquan，qu liangti 之前就做過類似的工作，這種工作他們都不稀罕做了。
其次，Advanced material (AM)這個(gè)wiley雜志影響因子13左右，非常高，但是有個(gè)問題，大部分是華人發(fā)表華人引用，不是我崇洋媚外，ACS同影響因子雜志上文章質(zhì)量完爆AM，（不過我要是發(fā)表一篇AM我得樂得升天）。
8 {5 h# J3 |1 t6 i1 f這個(gè)東西就是費(fèi)錢，科研人員應(yīng)該都知道碳納米管和石墨烯有多貴，一克幾千，如果用hummers法自己做的氧化石墨烯水熱成水凝膠再凍干成氣凝膠，是相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的辦法。之前還有一個(gè)課題組做了一個(gè)石墨烯的纖維（繩子）？同樣的道理，性能確實(shí)很好，就是不實(shí)用。
) B( O7 }$ h2 v* D4 z7 ^1 ]美國一個(gè)組發(fā)表的一篇science，用石墨烯做成膜，在電腦光驅(qū)里掃描幾圈就成了充放電效率非常高的電容器，cui yi 用鉛筆涂在紙上做了一個(gè)性能優(yōu)良的超級電容器，都是省力且富有 想象力的工作。
& I" T) B& _2 m
( o" [+ T' b  C) ~/ @" r: v0 z7 D1 s話說回來，浙大這個(gè)組真是有錢，工作也做的確實(shí)漂亮。

xingshi333

給力