全碳氣凝膠—最輕的材料

氣凝膠”是半固體狀態凝膠經幹燥去除溶劑後的產物,外表呈固體狀,內部含有眾多孔隙,充斥著空氣,因而密度極小。2013年3月,浙江大學的科學傢們研制出瞭一種超輕材料,這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態材料密度僅為0.16mg/cm³,是空氣密度的六分之一,也是迄今為止世界上最輕的材料

氣凝膠”是半固體狀態的凝膠經幹燥、去除溶劑後的產物,外表呈固體狀,內部含有眾多孔隙,充斥著空氣,因而密度極小。

浙江大學高分子科學與工程學系高超教授的課題組將含有石墨烯和碳納米管兩種納米材料的水溶液在低溫環境下凍幹,去除水分、保留骨架,成功刷新瞭“最輕材料”的紀錄。

此前的“世界紀錄保持者”是由德國科學傢在2012年底制造的一種名為“石墨氣凝膠”的材料,密度為每立方厘米0.18毫克。這一研究成果已於2013年2月18日在線發表在《先進材料》期刊上,並被《自然》雜志在“研究要聞”欄目中重點配圖評論。

碳氣凝膠的構造類似於‘碳海綿’,哪怕將一個馬克杯大小的氣凝膠放在狗尾草上,纖細的草須也不會被壓彎。

雖然看上去“脆弱不堪”,但“全碳氣凝膠”在結構韌性方面卻十分出色,它可以在數千次被壓縮至原體積的20%之後迅速復原。此外,“全碳氣凝膠”還是吸油能力最強的材料之一。

現有的吸油產品一般隻能吸收自身質量10倍左右的有機溶劑,而“全碳氣凝膠”的吸收量可高達自身質量的900倍。

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,美國科學傢用二氧化矽制得瞭最早的氣凝膠,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瞭一種鎳構成的氣凝膠,密度為0.9毫克/立方厘米,創下瞭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——這張照片入選瞭《自然》雜志年度十大圖片,也給高超留下瞭深刻印象: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。科學傢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,制備出瞭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,記者看到瞭一個個大小不等的“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,“在這裡,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,低於氦氣的密度。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’並不是它最大的新意所在”。高超解釋:它的價值在於其簡便的制備方法,以及材料所展現出來的優越性能。

科學傢介紹說,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,科學傢主要采用溶膠—凝膠法和模板導向法。前者可以批量合成,但是可控性差;後者能產生有序的結構,但依賴於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,探索出無模板冷凍幹燥法:將溶解瞭石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍幹,便獲得瞭“碳海綿”,並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,隻與容器有關。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%後仍可恢復原狀。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隻能吸自身質量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,而且隻吸油不吸水。“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。

目前,實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的應用性研究。科研人員說,“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合材料。不過,這一新生材料就如呱呱墜地的嬰兒,科學傢還很難準確預計其應用領域與前景,還得依靠社會以及產業界的想象力,讓這個新材料走出實驗室,實現應用價值。

全碳氣凝膠將有望在海上漏油、凈水甚至凈化空氣等環境污染治理上發揮重要作用。傳統的氣凝膠制作方式往往無法批量生產,但課題組新創的“低溫凍幹法”令氣凝膠的生產過程更加便捷,也使這種超輕材料的大規模制造和應用成為可能。

《自然》雜志已將這一研究成果放在“研究要聞”欄目,並重點配圖評論。“全碳氣凝膠”將有望在海上漏油、凈水甚至凈化空氣等環境污染治理上發揮重要作用。

2013年實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的應用性研究,除瞭污染治理方面,“全碳氣凝膠”還將能成為理想的儲能保溫、催化載體和吸音材料。

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