中國(guó)浙江大學(xué)制造出世界最輕材料

老鷹

3月19日,，實(shí)驗(yàn)室的一位研究人員利用玻璃棒摩擦靜電吸附起一塊“全碳?xì)饽�膠”的固態(tài)材料。新華社記者 鞠煥宗攝,。
, c* {4 M8 I: s- y
9 ^/ M& S1 G% h  V約8立方厘米的“碳海綿”立在桃花花蕊上,。
' g  H1 q" y" d& i3 L- V

$ o  W: Q% I+ n4 G" ]; ]: R5 w( {
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�膠”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【騰訊科學(xué)注：如根據(jù)空氣在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、25℃室溫條件下密度是每立方厘米1.18毫克計(jì)算,，這里應(yīng)該為空氣密度的1/7較合適；如根據(jù)空氣在0℃條件下密度是每立方厘米1.29毫克計(jì)算,，這里應(yīng)該為空氣密度的1/8較合適】,。日前，這一進(jìn)展被《自然》雜志在“研究要聞”欄目中重點(diǎn)配圖評(píng)論,。
; @" a' |5 a# \! S9 x# O
7 y, `# J1 A% q  u  }0 q0 r; i$ A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(guó)科學(xué)家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠,，外號(hào) “凝固的煙”。2011年,，美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)極限？
( m) t2 F5 @, s0 B1 B
( M0 d* q( h6 V  p( \' c0 q我國(guó)的石墨儲(chǔ)備非常豐富,，占全世界的2/3,�,？茖W(xué)家一直在探索石墨高效利用的方法�,！鞍咽�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(jià)值可以上升數(shù)千倍�,！备叱�的課題組經(jīng)過(guò)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(lái)沖擊這一紀(jì)錄,。
5 k; \% M6 f! Y, M. j0 T
制作簡(jiǎn)便

形狀、尺寸可任意調(diào)節(jié),，大規(guī)模制造成可能
3 A/ H1 N: H7 {: K! l- T在實(shí)驗(yàn)室,，記者看到了一個(gè)個(gè)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(wú)數(shù)個(gè)孔隙。
5 t4 Y( K  G3 W
“就像體育場(chǎng)館等大型空間結(jié)構(gòu),，用鋼筋做支架,，用高強(qiáng)度的薄膜等做墻壁，材料整體既輕且強(qiáng),�,！闭n題組博士生孫海燕說(shuō)，“在這里,，碳納米管就是支架,，石墨烯就是墻壁�,！�
, v" {6 A" c2 O, @
7 }) ]# {5 Z2 y" m" V5 C& W8 l0 l2 B& X在已報(bào)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(jìn)材料》上,。但課題組對(duì)申報(bào)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(jià)值在于其簡(jiǎn)便的制備方法,，以及材料所展現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)越性能。

科學(xué)家介紹說(shuō),，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(wú)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(guò)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。
. g8 H/ A0 Q+ P4 l: Y& Y“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�,！备叱�說(shuō),。

; t, s: H6 D' S+ i6 {性能優(yōu)越
高彈性、強(qiáng)吸附,，應(yīng)用前景廣闊
, B6 W  B: y. l# P1 G" m《自然》雜志點(diǎn)評(píng)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(duì)有機(jī)溶劑具有超快,、超高的吸附力，是迄今已報(bào)道的吸油力最高的材料�,，F(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(jī)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(jī)物,。這讓人想到用它來(lái)處理海上的漏油,，“可以把它們?nèi)鲈诤Ｃ嫔希�就能把漏油迅速地吸收進(jìn)來(lái),，因?yàn)橛袕椥�,，吸的油能夠被壓出�?lái)回收利用,，‘碳海綿’也可以重新使用�,！笨蒲腥藛T表示,。
' k# m$ |! y# ]* g8 c
+ S* V, m( G+ |+ I( ]目前，實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)這一材料的吸附性能進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用性研究,�,？蒲腥藛T說(shuō)，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲(chǔ)能保溫材料,、催化載體,、吸音材料以及高效復(fù)合材料。不過(guò),，這一新生材料就如呱呱墜地的嬰兒,，科學(xué)家還很難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)其應(yīng)用領(lǐng)域與前景，還得依靠社會(huì)以及產(chǎn)業(yè)界的想象力,，讓這個(gè)新材料走出實(shí)驗(yàn)室,，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。

2 D# W1 {6 n; i* s0 u/ @

LIAOYAO

“全碳?xì)饽�膠”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1/6~1/8（溫度不同的差異）低于氦氣的密度。
, _" Z1 v$ [* b. `0 G  h
0 ^8 h7 f0 Z- c那么是否可以直接漂飛,？而不是“立在桃花花蕊上”  {:soso_e132:}

未來(lái)第一站

老大撞貼了給我的刪了吧

第15軍軍長(zhǎng)

我剛剛從騰訊的彈窗里看到,。它立在花蕾上怎么沒漂起來(lái)。是不是因?yàn)殪o電力什么的大于浮力,。
, m; ?$ A+ ?% E4 h額,，我想應(yīng)該是這樣的。這個(gè)材料是有很多孔隙的,，每立方厘米重0.16mg,，但是，浮力等于物體排開空氣的質(zhì)量,，該材料排開空氣的質(zhì)量小于0.19，所以,，不會(huì)上浮,。

孤若流星

給力

楓風(fēng)coco

LIAOYAO 發(fā)表于 2013-3-21 21:24
) l$ R% B) G8 F, o' V“全碳?xì)饽�膠”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1/6~1/8（溫度不同的差異）低于氦氣的密 ...

這個(gè)每立方厘米可以理解為它的表體積,，就是你用六根一米的棍子搭出一個(gè)立方體,，我們可以說(shuō)它的體積是一立方米，棍子的總重量除以這個(gè)體積,，就是這里所說(shuō)的密度,，完全可能比氦氣輕，可是它在空氣中卻不會(huì)飄起來(lái)，就是這個(gè)道理,。


4 h- e! G3 c& X! T7 h1 v4 O8 ]- a6 X

第15軍軍長(zhǎng)

剛剛我在想,，如果往氣凝膠里填充碳，讓它的密度變大,，那么,，它的浮力和質(zhì)量都將變大，那么是否在填充到某個(gè)程度時(shí),，它就會(huì)浮起來(lái),。推了半天，突然想到,，一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),。我們被密度給迷惑了。雖然他密度比空氣小,，但是,，這里的體積是不一樣的，這里計(jì)算密度連空氣的體積都算入了,，所以密度很小,。但浮力是物體排開空氣的質(zhì)量。所以,，如果算浮力,，實(shí)質(zhì)就和你拿個(gè)碳放空氣中一樣，所以只要碳納米管的密度大于空氣,，他就不可能浮起來(lái),。因此，如果想讓他像氣球一樣浮起來(lái)是不可能的,，但是,，如果強(qiáng)度足夠，就可以像鋁合金,、碳纖維一樣用,，減輕產(chǎn)品的質(zhì)量。因此,，我前面的猜測(cè)就是個(gè)肯定的答案了,。
, L. X9 p+ v, V3 ?/ ]7 }+ x   所以,，問(wèn)題關(guān)鍵在密度上，我們被迷惑了,。

kenily

認(rèn)真看：“氣凝膠”是半固體狀態(tài)的凝膠經(jīng)干燥,、去除溶劑后的產(chǎn)物，外表呈固體狀,，內(nèi)部含有眾多孔隙,，充斥著空氣，因而密度極小,�,！�
7 \6 d. b; Q1 P6 r# S
& [2 j+ L- K+ h$ m' X3 c4 s他的密度不是計(jì)算一塊毫無(wú)縫隙的固體材料塊的密度，而是充滿空氣的一個(gè)海綿體的密度,，密度計(jì)算是質(zhì)量/體積,。這里的質(zhì)量沒算空氣，體積卻是充斥過(guò)空氣的體積

kenily

0 H" U% g! V. x) U+ `

LIAOYAO 發(fā)表于 2013-3-21 21:24
# {) A: e4 F9 @“全碳?xì)饽�膠”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1/6~1/8（溫度不同的差異）低于氦氣的密 ...

7 V, R9 |/ w% z# j繼續(xù)解釋下：很簡(jiǎn)單的問(wèn)題,，他說(shuō)的密度是表觀密度而不是實(shí)際密度，即重量除以材料占有的體積,，而不是實(shí)際的體積,。
) D+ `7 I4 N% C# d
! W9 e$ r% h# V" g舉簡(jiǎn)單例子，中空的鋼鐵——》輪船可以附在水面上,，是因?yàn)樗��?表觀 密度：重量除以鋼鐵占有的體積,，小于水。但是鋼鐵自身的實(shí)際密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水,。

4 v9 n* t  U- ]; O4 c# y7 ~
這里的材料,，他同樣也是中空，所以這個(gè) 表觀 密度小于空氣是沒問(wèn)題的,。為什么他沒有浮在空中,，是因?yàn)樗�的中空的空隙里都是空氣，沒有被抽成真空,。
  B- z% F8 ^; q6 ~* f
這就跟輪船里灌滿了水必然會(huì)沉下去一樣,。

( m$ P/ k. e: Y& p=========================================================
PS:這個(gè)材料沒什么新意，納米碳材料界shi gaoquan,，qu liangti 之前就做過(guò)類似的工作,，這種工作他們都不稀罕做了。
其次,，Advanced material (AM)這個(gè)wiley雜志影響因子13左右，非常高,，但是有個(gè)問(wèn)題,，大部分是華人發(fā)表華人引用,，不是我崇洋媚外，ACS同影響因子雜志上文章質(zhì)量完爆AM,，（不過(guò)我要是發(fā)表一篇AM我得樂得升天）,。
這個(gè)東西就是費(fèi)錢，科研人員應(yīng)該都知道碳納米管和石墨烯有多貴,，一克幾千,，如果用hummers法自己做的氧化石墨烯水熱成水凝膠再凍干成氣凝膠，是相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的辦法,。之前還有一個(gè)課題組做了一個(gè)石墨烯的纖維（繩子）,？同樣的道理，性能確實(shí)很好,，就是不實(shí)用,。
美國(guó)一個(gè)組發(fā)表的一篇science，用石墨烯做成膜,，在電腦光驅(qū)里掃描幾圈就成了充放電效率非常高的電容器,，cui yi 用鉛筆涂在紙上做了一個(gè)性能優(yōu)良的超級(jí)電容器，都是省力且富有 想象力的工作,。

話說(shuō)回來(lái),，浙大這個(gè)組真是有錢，工作也做的確實(shí)漂亮,。

xingshi333

給力