浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠——它刷新了目前世界上最輕材料的紀(jì)錄，彈性和吸油能力令人驚喜。這種被稱為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度為每立方厘米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6。日前，這一進展被《自然》雜志在“研究要聞”欄目中重點配圖評論。
據(jù)介紹，氣凝膠是入選吉尼斯世界紀(jì)錄的最輕的一類物質(zhì)，因其內(nèi)部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。1931年，美國科學(xué)家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠，外號 “凝固的煙”。2011年，美國HRL實驗室、加州大學(xué)歐文分校和加州理工學(xué)院合作制備了一種鎳構(gòu)成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創(chuàng)下了當(dāng)時最輕材料的紀(jì)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》雜志年度十大圖片，也給高超留下了深刻印象：能不能制備出一種材料，挑戰(zhàn)這個極限？
我國的石墨儲備非常豐富，占全世界的2/3。科學(xué)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(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)），其價值可以上升數(shù)千倍。”高超的課題組經(jīng)過五六年的探索，制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沖擊這一紀(jì)錄。
制作簡便
形狀、尺寸可任意調(diào)節(jié)，大規(guī)模制造成可能
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(wǎng)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(shù)個孔隙。
“就像體育場館等大型空間結(jié)構(gòu)，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，“在這里，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(jì)錄保持者——可達(dá)到0.16毫克/立方厘米，低于氦氣的密度。相關(guān)論文2月18日在線發(fā)表在《先進材料》上。但課題組對申報吉尼斯世界紀(jì)錄興趣不大，“‘輕’并不是它最大的新意所在”。高超解釋：它的價值在于其簡便的制備方法，以及材料所展現(xiàn)出來的優(yōu)越性能。
科學(xué)家介紹說，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(xué)家主要采用溶膠—凝膠法和模板導(dǎo)向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產(chǎn)生有序的結(jié)構(gòu)，但依賴于模板的精細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸，難以大量制備。高超課題組另辟蹊徑，探索出無模板冷凍干燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，并且可以任意調(diào)節(jié)形狀，令生產(chǎn)過程更加便捷，也使這種超輕材料的大規(guī)模制造和應(yīng)用成為可能。
“不需要模板，只與容器有關(guān)。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(yōu)越
高彈性、強吸附，應(yīng)用前景廣闊
《自然》雜志點評的標(biāo)題是：《固體碳：彈性而輕盈》，認(rèn)為這一新生事物的性能令人驚喜。
據(jù)介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)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(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)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(dá)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?nèi)鲈诤Ｃ嫔希湍馨崖┯脱杆俚匚者M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。