中国浙江大学制造出世界最轻材料

老鹰 · 发表于 2013-3-21 21:13:16

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。新华社记者鞠焕宗摄。

约8立方厘米的“碳海绵”立在桃花花蕊上。

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。

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。

LIAOYAO · 发表于 2013-3-21 21:24:18

“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1/6~1/8（温度不同的差异）低于氦气的密度。

那么是否可以直接漂飞？而不是“立在桃花花蕊上” {:soso_e132:}

未来第一站 · 发表于 2013-3-21 21:30:29

老大撞贴了给我的删了吧

第15军军长 · 发表于 2013-3-21 21:43:32

我刚刚从腾讯的弹窗里看到。它立在花蕾上怎么没漂起来。是不是因为静电力什么的大于浮力。
额，我想应该是这样的。这个材料是有很多孔隙的，每立方厘米重0.16mg，但是，浮力等于物体排开空气的质量，该材料排开空气的质量小于0.19，所以，不会上浮。

孤若流星 · 发表于 2013-3-21 21:45:22

给力

枫风coco · 发表于 2013-3-21 22:42:35

LIAOYAO 发表于 2013-3-21 21:24
6 M6 l p2 ~ z; x: _& h: X. a“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1/6~1/8（温度不同的差异）低于氦气的密 ...

这个每立方厘米可以理解为它的表体积，就是你用六根一米的棍子搭出一个立方体，我们可以说它的体积是一立方米，棍子的总重量除以这个体积，就是这里所说的密度，完全可能比氦气轻，可是它在空气中却不会飘起来，就是这个道理。

第15军军长 · 发表于 2013-3-21 23:05:35

刚刚我在想，如果往气凝胶里填充碳，让它的密度变大，那么，它的浮力和质量都将变大，那么是否在填充到某个程度时，它就会浮起来。推了半天，突然想到，一个关键点。我们被密度给迷惑了。虽然他密度比空气小，但是，这里的体积是不一样的，这里计算密度连空气的体积都算入了，所以密度很小。但浮力是物体排开空气的质量。所以，如果算浮力，实质就和你拿个碳放空气中一样，所以只要碳纳米管的密度大于空气，他就不可能浮起来。因此，如果想让他像气球一样浮起来是不可能的，但是，如果强度足够，就可以像铝合金、碳纤维一样用，减轻产品的质量。因此，我前面的猜测就是个肯定的答案了。
所以，问题关键在密度上，我们被迷惑了。

kenily · 发表于 2013-3-22 10:33:11

认真看：“气凝胶”是半固体状态的凝胶经干燥、去除溶剂后的产物，外表呈固体状，内部含有众多孔隙，充斥着空气，因而密度极小。”

他的密度不是计算一块毫无缝隙的固体材料块的密度，而是充满空气的一个海绵体的密度，密度计算是质量/体积。这里的质量没算空气，体积却是充斥过空气的体积

kenily · 发表于 2013-3-22 10:34:46

本帖最后由 kenily 于 2013-3-22 10:37 编辑

LIAOYAO 发表于 2013-3-21 21:24
" U4 M% M+ T7 `# Y" j% a/ x“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1/6~1/8（温度不同的差异）低于氦气的密 ...

继续解释下：很简单的问题，他说的密度是表观密度而不是实际密度，即重量除以材料占有的体积，而不是实际的体积。

举简单例子，中空的钢铁——》轮船可以附在水面上，是因为他的表观密度：重量除以钢铁占有的体积，小于水。但是钢铁自身的实际密度远远大于水。

这里的材料，他同样也是中空，所以这个表观密度小于空气是没问题的。为什么他没有浮在空中，是因为他的中空的空隙里都是空气，没有被抽成真空。

这就跟轮船里灌满了水必然会沉下去一样。

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PS:这个材料没什么新意，纳米碳材料界shi gaoquan，qu liangti 之前就做过类似的工作，这种工作他们都不稀罕做了。
其次，Advanced material (AM)这个wiley杂志影响因子13左右，非常高，但是有个问题，大部分是华人发表华人引用，不是我崇洋媚外，ACS同影响因子杂志上文章质量完爆AM，（不过我要是发表一篇AM我得乐得升天）。
这个东西就是费钱，科研人员应该都知道碳纳米管和石墨烯有多贵，一克几千，如果用hummers法自己做的氧化石墨烯水热成水凝胶再冻干成气凝胶，是相当费时费力的办法。之前还有一个课题组做了一个石墨烯的纤维（绳子）？同样的道理，性能确实很好，就是不实用。
美国一个组发表的一篇science，用石墨烯做成膜，在电脑光驱里扫描几圈就成了充放电效率非常高的电容器，cui yi 用铅笔涂在纸上做了一个性能优良的超级电容器，都是省力且富有想象力的工作。

话说回来，浙大这个组真是有钱，工作也做的确实漂亮。

xingshi333 · 发表于 2013-3-22 12:47:40

给力

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