全碳氣凝膠

“氣凝膠”是半固體狀態的凝膠經乾燥、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，浙江大學的科學家們研製出了一種超輕材料，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。

基本介紹

• 中文名：全碳氣凝膠
• 外觀：固體
• 內部結構：有眾多孔隙，充斥著空氣
• 發明家：高超
• 組成材料：石墨烯、碳納米管
• 發明時間：2012

材料介紹

“氣凝膠”是半固體狀態的凝膠經乾燥、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乾，去除水分、保留骨架，成功刷新了“最輕材料”的紀錄。此前的“世界紀錄保持者”是由德國科學家在2012年底製造的一種名為“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日線上發表在《先進材料》期刊上，並被《自然》雜誌在“研究要聞”欄目中重點配圖評論。

特點介紹

“‘全碳氣凝膠’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。”高超說。

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只能吸收自身質量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。

我國研製成功

3月19日，浙江大學高分子科學與工程學系高超教授展示製造出的“全碳氣凝膠”的固態材料。

浙江大學的科學家們研製出了一種超輕材料，這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態材料密度僅每立方厘米0.16毫克，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乾燥、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乾，去除水分、保留骨架，成功刷新了“最輕材料”的紀錄。此前的“世界紀錄保持者”是由德國科學家在2012年底製造的一種名為“石墨氣凝膠”的材料，密度為每立方厘米0.18毫克。據介紹，“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只能吸收自身質量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，氣凝膠是入選金氏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，美國科學家用二氧化矽製得了最早的氣凝膠，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製備了一種鎳構成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創下了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——這張照片入選了《自然》雜誌年度十大圖片，也給高超留下了深刻印象：能不能製備出一種材料，挑戰這個極限？

我國的石墨儲備非常豐富，占全世界的2/3。科學家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，製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衝擊這一紀錄。

製作簡便

形狀、尺寸可任意調節，大規模製造成可能

在實驗室，記者看到了一個個大小不等的“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牆壁，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，石墨烯就是牆壁。”

在已報導的成果中，高超課題組製備的“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日線上發表在《先進材料》上。但課題組對申報金氏世界紀錄興趣不大，“‘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製備方法，以及材料所展現出來的優越性能。

科學家介紹說，氣凝膠的基本製備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往製備氣凝膠的案例中，科學家主要採用溶膠—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，難以大量製備。高超課題組另闢蹊徑，探索出無模板冷凍乾燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍乾，便獲得了“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製造和套用成為可能。

“不需要模板，只與容器有關。容器多大，就可以製備多大，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，套用前景廣闊

《自然》雜誌點評的標題是：《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，是迄今已報導的吸油力最高的材料。現有的吸油產品一般只能吸自身質量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，而且只吸油不吸水。“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套用性研究。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、吸音材料以及高效複合材料。不過，這一新生材料就如呱呱墜地的嬰兒，科學家還很難準確預計其套用領域與前景，還得依靠社會以及產業界的想像力，讓這個新材料走出實驗室，實現套用價值。

材料套用

全碳氣凝膠將有望在海上漏油、淨水甚至淨化空氣等環境污染治理上發揮重要作用。傳統的氣凝膠製作方式往往無法批量生產，但課題組新創的“低溫凍乾法”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製造和套用成為可能。

《自然》雜誌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、淨水甚至淨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套用性研究，除了污染治理方面，“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。