中國浙江大學制造出世界最輕材料

老鷹

3月19日，實驗室的一位研究人員利用玻璃棒摩擦靜電吸附起一塊“全碳氣凝膠”的固態材料。新華社記者 鞠煥宗攝。

* S& J: x' R9 U4 \  F) ~% P約8立方厘米的“碳海綿”立在桃花花蕊上。
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浙江大學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錄，彈性和吸油能力令人驚喜。這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態材料密度為每立方厘米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6【騰訊科學注：如根據空氣在一個標準大氣壓、25℃室溫條件下密度是每立方厘米1.18毫克計算，這里應該為空氣密度的1/7較合適；如根據空氣在0℃條件下密度是每立方厘米1.29毫克計算，這里應該為空氣密度的1/8較合適】。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、加州大學歐文分校和加州理工學院合作制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，挑戰這個極限？

我國的石墨儲備非常豐富，占全世界的2/3?？茖W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?！备叱恼n題組經過五六年的探索，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錄。

. T2 T! d  Q# }8 e# O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。

  W, Y% `# |. b; n: @7 c' L“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?！闭n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?！?br /> 9 j8 ]  ?: I) e7 |
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，低于氦氣的密度。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’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，以及材料所展現出來的優越性能。
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科學家介紹說，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，科學家主要采用溶膠—凝膠法和模板導向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產生有序的結構，但依賴于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，只與容器有關。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?！备叱f。

5 R5 b5 _! E7 k, w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%后仍可恢復原狀。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?！按笪竿酢背杂袡C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?！笨蒲腥藛T表示。

% A) I% u0 ^+ w& x) o. ]$ ]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?？蒲腥藛T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，科學家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。

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LIAOYAO

“全碳氣凝膠”的固態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。
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. o4 l! a1 w+ _6 d那么是否可以直接漂飛？而不是“立在桃花花蕊上”  {:soso_e132:}

未來第一站

老大撞貼了給我的刪了吧

第15軍軍長

我剛剛從騰訊的彈窗里看到。它立在花蕾上怎么沒漂起來。是不是因為靜電力什么的大于浮力。
) X/ N- ^" v5 _& U9 J5 k8 L. l額，我想應該是這樣的。這個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量，該材料排開空氣的質量小于0.19，所以，不會上浮。

孤若流星

給力

楓風coco

LIAOYAO 發表于 2013-3-21 21:24
“全碳氣凝膠”的固態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 ...

: H: i$ x9 v. H+ L8 Q這個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立方體，我們可以說它的體積是一立方米，棍子的總重量除以這個體積，就是這里所說的密度，完全可能比氦氣輕，可是它在空氣中卻不會飄起來，就是這個道理。


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第15軍軍長

剛剛我在想，如果往氣凝膠里填充碳，讓它的密度變大，那么，它的浮力和質量都將變大，那么是否在填充到某個程度時，它就會浮起來。推了半天，突然想到，一個關鍵點。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量。所以，如果算浮力，實質就和你拿個碳放空氣中一樣，所以只要碳納米管的密度大于空氣，他就不可能浮起來。因此，如果想讓他像氣球一樣浮起來是不可能的，但是，如果強度足夠，就可以像鋁合金、碳纖維一樣用，減輕產品的質量。因此，我前面的猜測就是個肯定的答案了。
   所以，問題關鍵在密度上，我們被迷惑了。

kenily

認真看：“氣凝膠”是半固體狀態的凝膠經干燥、去除溶劑后的產物，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?！?

他的密度不是計算一塊毫無縫隙的固體材料塊的密度，而是充滿空氣的一個海綿體的密度，密度計算是質量/體積。這里的質量沒算空氣，體積卻是充斥過空氣的體積

kenily

LIAOYAO 發表于 2013-3-21 21:24
“全碳氣凝膠”的固態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 ...

繼續解釋下：很簡單的問題，他說的密度是表觀密度而不是實際密度，即重量除以材料占有的體積，而不是實際的體積。
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. Y# t, b2 H- v# A) z/ `9 e舉簡單例子，中空的鋼鐵——》輪船可以附在水面上，是因為他的 表觀 密度：重量除以鋼鐵占有的體積，小于水。但是鋼鐵自身的實際密度遠遠大于水。
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. V3 r$ W% K3 V2 A1 Q這里的材料，他同樣也是中空，所以這個 表觀 密度小于空氣是沒問題的。為什么他沒有浮在空中，是因為他的中空的空隙里都是空氣，沒有被抽成真空。

, B) x, i% I! l這就跟輪船里灌滿了水必然會沉下去一樣。

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% G  i. F8 Q9 F9 p" E" nPS:這個材料沒什么新意，納米碳材料界shi gaoquan，qu liangti 之前就做過類似的工作，這種工作他們都不稀罕做了。
其次，Advanced material (AM)這個wiley雜志影響因子13左右，非常高，但是有個問題，大部分是華人發表華人引用，不是我崇洋媚外，ACS同影響因子雜志上文章質量完爆AM，（不過我要是發表一篇AM我得樂得升天）。
這個東西就是費錢，科研人員應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，是相當費時費力的辦法。之前還有一個課題組做了一個石墨烯的纖維（繩子）？同樣的道理，性能確實很好，就是不實用。
美國一個組發表的一篇science，用石墨烯做成膜，在電腦光驅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性能優良的超級電容器，都是省力且富有 想象力的工作。

) _5 {& Q9 m) d7 z話說回來，浙大這個組真是有錢，工作也做的確實漂亮。

xingshi333

給力