最轻材料中国造

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遥远的探索之路

气凝胶又称为干凝胶，是目前入选吉尼斯世界纪录最轻的固体，因其内部存在无数孔隙，空隙间充满着空气，因而得名。

说起气凝胶的“出身”，可谓十分富有戏剧色彩，它是在1931年美国化学家的一次打赌中被成功研制出来的，因为其密度接近空气，只有3毫克/立方厘米，当时人们就赋予它一个外号——“凝固的烟”。

早期的气凝胶材料不仅脆弱，而且价格昂贵。但是经过几十年的沉淀，它终于被美国宇航局看中，进而真正得以进入应用领域。1999年，美国宇航局“星尘”号太空探测器携载着装满气凝胶的拳击手套进入太空，气凝胶的任务就是要捕捉彗星尾部尘埃微粒。要知道收集彗星星尘并不是件容易的事，因为它的速度相当于步枪子弹的6倍，尽管体积比沙粒还要小，可是当它以如此高速接触其它物质时，自身的物理和化学组成都有可能发生改变，甚至完全被蒸发。但气凝胶就像一个极其柔软的棒球手套，可以轻轻地消减彗星星尘的速度，使它在滑行一段相当于自身长度200倍的距离后慢慢停下来。在进入“气凝胶手套”后，星尘会留下一段胡萝卜状的轨迹，由于气凝胶几乎是透明的，当2006年，“星尘”号满载由气凝胶采集的彗尾尘埃样本回到地球后，科学家沿着轨迹轻松地找到了这些彗星微粒。

在之后的数年里，气凝胶材料的各种优越性能开始陆续被研究人员开发出来，由美国宇航局创建的阿斯彭气凝胶公司生产出了更坚固、更韧性的气凝胶，阿斯彭公司的科学家马克·克拉耶维斯基经过研究发现，气凝胶作为最轻的固体同时拥有绝佳的绝缘、隔热性能。一层18毫米厚的气凝胶即能充分保护宇航员抵御零下130摄氏度的极端温度环境，因此用其作为新型太空服的绝缘内衬材料最适合不过。

“最轻材料”中国造

2011年，同样是美国的HRL实验室、加州大学和加州理工学院合作制备了一种镍构成的新型气凝胶。这种气凝胶的密度只有0.9毫克/立方厘米，刷新了当时最轻固体材料的新记录。把这种材料放在蒲公英花朵上，柔软的绒毛几乎没有变形，这个场景被摄像机拍了下来，并被选入了《自然》杂志的年度十大图片。

巧合的是，这张图片当时就被我国浙江大学高分子系的高超教授深深的印在了脑海——能不能制备出一种材料，挑战这个极限呢？高超的课题组马上投入到了对新型气凝胶的潜心研究中。

原来，由于我国石墨储备十分丰富，科学家一直在探索石墨高效利用的方法，高超的课题组就是其中之一。“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。”课题组经过多年的探索，早已制备出了一维、二维的石墨烯薄膜。这次，他们正是打算把石墨烯做成三维多孔状，并用它冲击最轻固态材料的世界记录。

高超的课题组经历重重困难，最终获得成功。一种被命名为“全碳气凝胶”，又称“碳海绵”的新材料应运而生，它的密度仅有0.16毫克/立方厘米，是空气密度的1/6，同时也是目前世界上最轻的固态材料。

大规模制造成可能

在高超教授的实验室，陈列着一个个形态各异的“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。”

“‘轻’还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。

原来，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。”高超介绍道。

高弹性、强吸附的环保材料

当然，“碳海绵”作为气凝胶的一种，与过往科学家研制的各种气凝胶材料有着相似的优越性能。《自然》杂志对于“全碳气凝胶”的点评标题就是：《固体碳：弹性而轻盈》——虽然看上去“脆弱不堪”，但实际上它在结构韧性方面却十分出色，具有极高的弹性，“碳海绵”可以在数千次被压缩至原体积的20%之后又迅速恢复原状。

事实上，早在数年以前，美国的Dunlop体育器材公司就根据气凝胶高弹性的特点，用其成功研制了一系列垒球和网球球拍。这种网球拍与传统网球拍相比击球能力更强；此外，美国宇航局阿斯彭公司则对气凝胶的这一特性在实际应用上进行过更深入的研究。该公司的实验人员在一块金属片上加上一层厚约6毫米的气凝胶，并在金属片附近引爆炸药，爆炸过后金属片竟然分毫无伤。研究结果非常明显，气凝胶的高韧性能使其成为防弹防爆设备的理想材料。

除了出色的弹性、韧性以外，“全碳气凝胶”还有另一个令人惊喜的性能——“它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是迄今已被报道过的吸油材料中吸附力最高的材料。”研究员介绍道，现有的吸油产品一般只能吸收自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量一般可以达到250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。

研究员介绍：“每克这样的‘碳海绵’每秒可以吸收68.8克有机物，也许我们可以尝试用它来处理海上的漏油，把它们撒在海面上，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。”

为环保服务

目前，高超教授的实验室还在对“全碳气凝胶”的各种性能进行进一步的应用性研究：例如在环保节能方面，“全碳气凝胶”除了有望在污染治理上大展拳脚，还将可能成为理想的储能保温和吸音材料。

今年初， 66岁的鲍勃·斯托克尔就成为了全英国第一位拥有气凝胶隔热房屋的人。“保温加热的效果非常好，我将空调的温度下降了5℃，结果室内的温度仍然非常舒适。”鲍勃说道。

美国著名的防务企业洛克希德·丁公司最近提出一项全新的项目，希望以较低的成本获取安全的饮用水。方法则是借助作为“碳海绵”的主要材料之一的石墨烯制作过滤装置。传统的蒸馏法海水淡化技术效率不高，而且耗能巨大、成本高昂。而单层石墨烯薄片仅有1个原子的厚度。利用石墨烯过滤海水，水分子可穿过石墨烯薄片中仅有1纳米宽的空隙，而构成盐主要成分的钠离子和氯离子则被阻挡在外。据了解，这一过滤装置的原型机预计将于2013年底完成。如果实验成功，“碳海绵”也许有望在海水淡化领域一展所长。

“‘全碳气凝胶’这一新生材料就如呱呱坠地的婴儿，我们对其未来的应用领域还只能做到大概的推测，不能准确地预计。如何发展运用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。”研究员如是说。