世界最轻材料中国造 "碳海绵"立于桃花蕊
2013年03月21日 来源： 人民日报
约8立方厘米的“碳海绵”立在桃花花蕊上。 汪晓勇摄
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。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。
