中国浙江大学制造出世界最轻材料
3月19日,实验室的一位研究人员利用玻璃棒摩擦静电吸附起一块“全碳气凝胶”的固态材料。新华社记者 鞠焕宗摄。约8立方厘米的“碳海绵”立在桃花花蕊上。
浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶——它刷新了目前世界上最轻材料的纪录,弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6【腾讯科学注:如根据空气在一个标准大气压、25℃室温条件下密度是每立方厘米1.18毫克计算,这里应该为空气密度的1/7较合适;如根据空气在0℃条件下密度是每立方厘米1.29毫克计算,这里应该为空气密度的1/8较合适】。日前,这一进展被《自然》杂志在“研究要闻”栏目中重点配图评论。
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”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6~1/8(温度不同的差异)低于氦气的密度。
那么是否可以直接漂飞?而不是“立在桃花花蕊上”{:soso_e132:} 老大撞贴了给我的删了吧 我刚刚从腾讯的弹窗里看到。它立在花蕾上怎么没漂起来。是不是因为静电力什么的大于浮力。
额,我想应该是这样的。这个材料是有很多孔隙的,每立方厘米重0.16mg,但是,浮力等于物体排开空气的质量,该材料排开空气的质量小于0.19,所以,不会上浮。 给力 LIAOYAO 发表于 2013-3-21 21:24 static/image/common/back.gif
“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6~1/8(温度不同的差异)低于氦气的密 ...
这个每立方厘米可以理解为它的表体积,就是你用六根一米的棍子搭出一个立方体,我们可以说它的体积是一立方米,棍子的总重量除以这个体积,就是这里所说的密度,完全可能比氦气轻,可是它在空气中却不会飘起来,就是这个道理。
刚刚我在想,如果往气凝胶里填充碳,让它的密度变大,那么,它的浮力和质量都将变大,那么是否在填充到某个程度时,它就会浮起来。推了半天,突然想到,一个关键点。我们被密度给迷惑了。虽然他密度比空气小,但是,这里的体积是不一样的,这里计算密度连空气的体积都算入了,所以密度很小。但浮力是物体排开空气的质量。所以,如果算浮力,实质就和你拿个碳放空气中一样,所以只要碳纳米管的密度大于空气,他就不可能浮起来。因此,如果想让他像气球一样浮起来是不可能的,但是,如果强度足够,就可以像铝合金、碳纤维一样用,减轻产品的质量。因此,我前面的猜测就是个肯定的答案了。
所以,问题关键在密度上,我们被迷惑了。 认真看:“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。”
他的密度不是计算一块毫无缝隙的固体材料块的密度,而是充满空气的一个海绵体的密度,密度计算是质量/体积。这里的质量没算空气,体积却是充斥过空气的体积 本帖最后由 kenily 于 2013-3-22 10:37 编辑
LIAOYAO 发表于 2013-3-21 21:24 static/image/common/back.gif
“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6~1/8(温度不同的差异)低于氦气的密 ...
继续解释下:很简单的问题,他说的密度是表观密度而不是实际密度,即重量除以材料占有的体积,而不是实际的体积。
举简单例子,中空的钢铁——》轮船可以附在水面上,是因为他的 表观 密度:重量除以钢铁占有的体积,小于水。但是钢铁自身的实际密度远远大于水。
这里的材料,他同样也是中空,所以这个 表观 密度小于空气是没问题的。为什么他没有浮在空中,是因为他的中空的空隙里都是空气,没有被抽成真空。
这就跟轮船里灌满了水必然会沉下去一样。
=========================================================
PS:这个材料没什么新意,纳米碳材料界shi gaoquan,qu liangti 之前就做过类似的工作,这种工作他们都不稀罕做了。
其次,Advanced material (AM)这个wiley杂志影响因子13左右,非常高,但是有个问题,大部分是华人发表华人引用,不是我崇洋媚外,ACS同影响因子杂志上文章质量完爆AM,(不过我要是发表一篇AM我得乐得升天)。
这个东西就是费钱,科研人员应该都知道碳纳米管和石墨烯有多贵,一克几千,如果用hummers法自己做的氧化石墨烯水热成水凝胶再冻干成气凝胶,是相当费时费力的办法。之前还有一个课题组做了一个石墨烯的纤维(绳子)?同样的道理,性能确实很好,就是不实用。
美国一个组发表的一篇science,用石墨烯做成膜,在电脑光驱里扫描几圈就成了充放电效率非常高的电容器,cui yi 用铅笔涂在纸上做了一个性能优良的超级电容器,都是省力且富有 想象力的工作。
话说回来,浙大这个组真是有钱,工作也做的确实漂亮。 给力