超功能材料——全碳气凝胶

诸平

《科技日报》3月19日刊登了朱涵《我科学家造出“世界上最轻材料”》的报道，介绍了浙江大学高超（Gao Chao）教授等人研制出了一种被称为“全碳气凝胶”的超轻材料(ultra-light aerogel)，这种固态材料密度是空气密度的1/6,即0.16 mg/cm³，也是迄今为止世界上最轻的材料。其灵活性和吸油能力是其他任何材料无法比拟，虽然看上去“脆弱不堪”，但“全碳气凝胶”可以在数千次被压缩至原体积的20%之后迅速复原。此外，“全碳气凝胶”还是吸油能力最强的材料之一。现有的吸油产品一般只能吸收自身质量10倍左右的有机溶剂，而“全碳气凝胶”的吸收量可高达自身质量的900倍。正是因为这些卓越的特性，被《自然》（Nature）列为“研究精萃（Research Highlights）”栏目发表，物理学家组织网（Phys.org）2013年3月25日对此研究成果也有报道——“Researchers produce ultra-light aerogel”。

关于气凝胶的研究背景，可以从世界吉尼斯大全（Guinness Book of World Records）的记录谈起，它是一种最轻的物质，从其英文名称Aerogel（气凝胶）就可以略知一二，aero-(气、空气，来自于希腊语aēr, 拉丁语 aer)+gel(胶，凝胶，来自于拉丁语gelo, 其意使凝结，使冻结)。1931年,美国科学家基斯特勒首次用二氧化硅生产出气凝胶，并命名为“冻结烟（frozen smoke）”，其密度为4 mg/ cm³。2011年,HRL实验室,加州大学欧文分校（University of California Irvine）和加州理工学院（California Institute of Technology）合作，开发出镍气凝胶(micro-lattice material)，密度为0.9 mg /cm³,创下了当时最轻材料的新记录。之后不到一年时间，在2012年底德国科学家制造的一种名为“石墨气凝胶（aerographite）”的材料，密度为0.18 mg/ cm³。浙江大学高分子科学与工程学系高超教授的课题组，将含有石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下冻干，去除水分、保留骨架，成功刷新了“最轻材料”的纪录，制得了目前最轻的材料。“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。高超教授等人制得的“‘全碳气凝胶’的构造类似于‘碳海绵’，哪怕将一个马克杯大小的气凝胶放在狗尾草上，纤细的草须也不会被压弯。”它既是放置在蒲公英花上，甚至不可能引起花的绒毛发生变形。高超教授等人的研究成果2013年2月18日在《先进材料》（Advanced Materials）曾经发表过一篇相关论文，但是，该研究团队对于其研究成果是否申报吉尼斯最轻材料世界纪录不感兴趣。高教授解释说,这一成就的价值在于其开发这种材料的简单方法以及该材料所表现出的卓越性能。

《自然》（Nature）杂志对此研究成果评论的标题为：“固体碳,有弹性而且很轻（Solid carbon, springy and light）”，真是一种惊人的新材料。这种材料除了具有弹性和密度很小的特性之外，很强的选择性吸附能力也是其它材料望尘莫及。它可以吸收是自身重量900倍的油类物质,而且仅仅吸附油而不吸附水。此外,这种气凝胶可高速吸收有机物，其吸附能力为1 g此气凝胶可以在每秒钟吸附68.8 g的有机物。因此，它可用于处理海上石油泄漏。也许有一天当石油泄漏发生时,我们可以将此种超轻吸附剂分散在海上，快速吸收泄漏油。除了这些,气凝胶也可能被制成理想的相变储能保温材料、催化剂载体或高效复合材料。

新材料是就像一个初生的婴儿一样，科学家仍在探索其应用和前景，以实现更多的实用价值。

Researchers produce ultra-light aerogel

March 25, 2013

A research team headed by Professor Gao Chao have developed ultra-light aerogel – it breaks the record of the world's lightest material with surprising flexibility and oil-absorption. This progress is published in the "Research Highlights" column in Nature.

Graphene aerogel takes world’s lightest material crown

The graphene aerogel can be supported by blades of grass

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Graphene coating transforms fragile aerogels into superelastic materials

August 9, 2012 by Lisa Zyga

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After CNT aerogels are compressed and released, the non-coated aerogel collapses while the graphene-coated aerogel recovers its original shape. Image credit: Kim, et al. ©2012 Macmillan Publishers Limited

 

(Phys.org) -- Like donning a Superman’s cape, fragile carbon nanotube (CNT) aerogels that are covered by a graphene coating can be transformed from a material that easily collapses under compression to one that can resist large amounts of compression and completely recover its original shape after removal of the load. The superelasticity and fatigue resistance provided by the graphene coating could make CNT aerogels useful in a variety of areas, including as electrodes, artificial muscles, and other mechanical structures.