浙江大学实验室制备出世界最轻材料

大约8立方厘米的“碳海绵”立在桃花雄蕊上。由王晓勇拍摄

浙江大学高分子系教授高昊的研究小组研制出一种超轻气凝胶——它打破了目前最轻材料的世界纪录，其弹性和吸油能力令人惊讶。这种被称为“全碳气凝胶”的固体材料密度为每立方厘米0.16毫克，仅为空气密度的1/6。几天前，《自然》杂志在“研究热点”专栏中强调并评论了这一进展。

据报道，气凝胶是吉尼斯世界纪录中最轻的物质。它的名字是因为它有许多小孔，并且充满空气。1931年，美国科学家用二氧化硅制造了最早的气凝胶，绰号“固化烟”。2011年，加州大学欧文分校的HRL实验室和加州理工学院联合制备了密度为0.9毫克/立方厘米的镍气凝胶，创下了当时最轻材料的记录。当这种材料被放在蒲公英花上时，柔软的绒毛几乎不会变形——这张照片入选了《自然》杂志年度十大照片，它也给高昊留下了深刻的印象:你能准备一种材料来挑战这个极限吗？

中国的石墨储量非常丰富，占世界的2/3。科学家们一直在探索有效利用石墨的方法。“将石墨转化为石墨烯(一种由碳原子组成的单层层状结构)的价值可以提高数千倍。”经过五六年的探索，这个卓越的研究团队已经制备了一维石墨烯纤维和二维石墨烯薄膜。这一次，他们计划将石墨烯制成三维多孔材料以打破记录。

易于制作

形状和尺寸可以任意调整，并且大规模制造是可能的。

在实验室里，记者看到了不同大小的“碳海绵”:它们像网球一样大，像酒瓶塞一样小。在电子显微镜下，碳纳米管和石墨烯共同支撑着众多的孔。

“就像体育场和体育馆等大型空间结构一样，钢筋被用作支撑，高强度薄膜被用作墙壁。整体材料轻盈而结实。”“在这里，碳纳米管是支撑物，石墨烯是墙，”该研究小组的博士生孙海燕说。

在报道的结果中，由超级研究小组制备的“碳海绵”仍然是最轻的记录保持者，高达0.16毫克/立方厘米，低于氦的密度。相关论文于2月18日在《高级材料》在线发表。然而，该研究小组对申请吉尼斯世界纪录不感兴趣。“光”并不是它最大的创新。高超的解释:其价值在于其简单的制备方法和材料所显示的优越性能。

科学家说气凝胶的基本制备原理是从凝胶中去除溶剂，使其保持完整的骨架。在以前气凝胶制备的情况下，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，但可控性差。后者可以产生有序的结构，但是由于模板的精细结构和尺寸，很难大量制备。高昊的研究小组发现了一种寻找无模板冷冻干燥方法的新方法:将溶解有石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冷冻干燥，得到“碳海绵”，形状可以随意调整，使得生产过程更加方便，并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，只与容器相关。这个容器可以做得很大，也可以是几千立方厘米甚至更大。”高启说。

卓越的性能

弹性高，吸附性强，应用前景广阔

《自然》杂志评论的标题是“固体碳:弹性和轻盈”，认为这一新事物的表现令人惊讶。

据报道，“碳海绵”具有高弹性，压缩80%后仍能恢复原状。它对有机溶剂具有超快和超高的吸附能力，是迄今为止报道的吸油能力最高的材料。现有的吸油产品只能吸收约10倍于自身质量的液体，而“碳海绵”的吸收能力约为250倍，可达900倍，并且只吸收油而不吸收水。“大胃王”吃有机物的速度非常快:每克这样的“碳海绵”每秒能吸收68.8克有机物。这让人们想到用它来处理海上漏油。“你可以把它们铺在海面上，迅速吸收油，因为它有弹性，被吸收的油可以被压出并回收，而且海绵碳也可以重复使用。”研究人员说。

目前，实验室正在对该材料的吸附性能进行进一步的应用研究。研究人员称，“碳海绵”也可能成为理想的相变储能和隔热材料、催化载体、吸声材料和高效复合材料。然而，这种新材料就像一个初生的婴儿。科学家仍难以准确预测其应用领域和前景。从实验室中取出这种新材料并实现其应用价值，还取决于社会和工业的想象力。(原标题:世界最轻的材料，中国制造)