全碳气凝胶—最轻的材料

气凝胶”是半固体状态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。2013年3月,浙江大学的科学家们研制出了一种超轻材料,这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度仅为0.16mg/cm³,是空气密度的六分之一,也是迄今为止世界上最轻的材料

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。

浙江大学高分子科学与工程学系高超教授的课题组将含有石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下冻干,去除水分、保留骨架,成功刷新了“最轻材料”的纪录。

此前的“世界纪录保持者”是由德国科学家在2012年底制造的一种名为“石墨气凝胶”的材料,密度为每立方厘米0.18毫克。这一研究成果已于2013年2月18日在线发表在《先进材料》期刊上,并被《自然》杂志在“研究要闻”栏目中重点配图评论。

碳气凝胶的构造类似于‘碳海绵’,哪怕将一个马克杯大小的气凝胶放在狗尾草上,纤细的草须也不会被压弯。

虽然看上去“脆弱不堪”,但“全碳气凝胶”在结构韧性方面却十分出色,它可以在数千次被压缩至原体积的20%之后迅速复原。此外,“全碳气凝胶”还是吸油能力最强的材料之一。

现有的吸油产品一般只能吸收自身质量10倍左右的有机溶剂,而“全碳气凝胶”的吸收量可高达自身质量的900倍。

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。

全碳气凝胶将有望在海上漏油、净水甚至净化空气等环境污染治理上发挥重要作用。传统的气凝胶制作方式往往无法批量生产,但课题组新创的“低温冻干法”令气凝胶的生产过程更加便捷,也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。

《自然》杂志已将这一研究成果放在“研究要闻”栏目,并重点配图评论。“全碳气凝胶”将有望在海上漏油、净水甚至净化空气等环境污染治理上发挥重要作用。

2013年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,除了污染治理方面,“全碳气凝胶”还将能成为理想的储能保温、催化载体和吸音材料。

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