http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-03-21
世界最轻材料中国造
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。(余建斌 周 炜)
[人民网-人民日报]
浙大造出世界最轻材料：压不弯狗尾巴草
100立方厘米大小的“碳海绵”“踩”在狗尾巴草上，纤细的草须一点都没有被压弯。图片由浙大提供
通讯员周炜、记者胡信昌
本报讯 浙大高分子系高超教授的课题组制造出一种超轻物质，取名“碳海绵”。它是目前世界上已知的最轻固体材料。这一成果被权威科学杂志《自然》在“研究要闻”栏目中重点配图评论(2013年2月28日的第494期404页)。相关论文2月18日在线发表在材料科学界权威的学术杂志《先进材料》(Advanced Materials)上。
高超教授说，“碳海绵”是一种气凝胶——世界上最轻的一类物质，它的内部有很多孔隙，充满空气。
2011年，美国科学家合作制造了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，是当时最轻的固体材料。把这种材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛几乎没变形。
高超课题组这些年一直从事石墨烯宏观材料的研发。他们用石墨烯制造出了气凝胶——“碳海绵”。“碳海绵”每立方厘米重0.16毫克，比氦气还要轻，约是同体积大小氢气重量的两倍。从目前公开的报道看，“碳海绵”是世界上最轻的固体。
在浙大实验室，有不少大小不等的“碳海绵”，大的像网球，小的像酒瓶塞，灰不溜秋，摸上去很有弹性。
高教授说，“碳海绵”可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。现有吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”能吸收250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。
“碳海绵”这一特性可用来处理海上原油泄漏事件——把“碳海绵”撒在海面上，就能把漏油迅速吸进来，因为有弹性，吸进的油又挤出来回收，碳海绵也可以重新使用。
另外，“碳海绵”还可能成为理想的储能保温材料、催化剂载体及高效复合材料，有广阔前景。
[新浪网-都市快报]
相关报道
中美学者成功制备出“纳米纸有机晶体管”
据新华社上海3月20日电 记者从同济大学获悉，该校材料科学与工程学院黄佳教授领衔的研究小组与美方研究人员合作，以“纳米纸”为衬底，成功制备出全透明、可弯曲、可降解的半导体器件，这一成果向“纸质电子产品”迈出了重要一步。
以这一新型“纳米纸”为衬底材料，研究人员在它上面一层层制备出由碳纳米管、绝缘层、有机半导体组成的透明度高达84%、可弯曲的晶体管。实际的性能测试表明，即便将整个器件以3.5毫米的半径弯曲起来时，它上面的透明晶体管仍能保持优良的工作性能。
“‘可溶性’即可溶于有机溶剂，是有机半导体材料的一大优点，这也使得通过全打印方式来制备器件成为可能，将大大降低电子产品的成本。”黄佳教授设想，在不久的将来，人们能利用可再生资源印刷出透明可弯曲的电子设备，类似电影《哈利波特》中“魔法报纸”的纸质电子产品就会出现。
[深圳特区报]