探秘世界最轻材料诞生地

科学界想法都是类似的,都想到了,就看谁的步伐更快一些.这比奥运会赛场上的竞争还要残酷.

一项世界纪录又被中国打破了!这次不是在运动场,而是在实验室.近日,浙江大学高分子系高超教授所在的课题组制造出了一种超轻物质,取名“碳海绵”或“全碳气凝胶”,其密度只有每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6,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》重点配图评论.

科学界的竞争比奥运会赛场更残酷

大概10平米的办公室,“蜗居”着11名学生,隔壁实验室不时地传来油泵声响,各种实验仪器几乎占满了近30平米的实验室过道,就是在浙江大学玉泉校区西侧高分子大楼里的这样一间略显拥挤的实验室中,高超带领的课题组成功刷新了“世界最轻材料纪录”.

寻找最轻材料一直是全世界科学家们追求的梦想,就像在奥运会的100米赛道上一样.2011年,美国科学家合作制造了一种镍基气凝胶,密度为0.9毫克/立方厘米,是当时最轻的材料.

2012年,德国科学家制造的一种名为“石墨烯气凝胶”的材料,密度为0.18毫克/立方厘米.

“我国的石墨气储备非常丰富,占全世界的2/3.我们能不能用石墨做出最轻材料?”高超说.

“科学界想法都是类似的,就看谁的步伐更快一些,这比奥运会赛场上的竞争还要残酷.”高超说.

其实高超的课题组一直在与德国科学家进行竞争.2012年6月,高超课题组已经实现做出了每立方厘米0.16毫克的全碳气凝胶,正在他们想投稿的时候,德国科学家的论文已经发表了.

“科学界是没有亚军的,我们只有做到更好,再次把数据重新完善一下,要求课题组做得深,做得透.因为优势就在于,我们的材料设计思想.”高超说.

记者在这里并没有看到现代化办公环境,比如精良的实验设备,宽敞的实验平台.“我的实验室就是青年教师实验室的一个缩影,我经常和学生们说,科学没有高低贵贱之分,勤奋努力可以弥补客观条件的不足.要用最少的钱、最简单的方法,做出最好的结果.”高超说.

高超表示,课题组还没有申报吉尼斯世界纪录的打算,但是碳海绵最大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.

沉积石墨烯不再需要模板

不论是2011年美国科学家的镍基气凝胶,还是2012年的“石墨烯凝胶”,它们都是采用“模板导向法”制备出来的.模板导向法一般是指先制备出所需要的模板,然后在模板表面沉积上所设计的原材料如镍或石墨,再把模板去掉,留下多孔支架.这种方法可以相对容易地做出超轻材料,但受到模板本身尺寸、形状、精细结构以及后续模板去除的复杂工艺的限制,材料很难做大,更难以大量制备.

另外一种常用的气凝胶制备方法是“溶胶―凝胶法”.为了让记者理解什么是溶胶―凝胶法,高超的学生孙海燕说：“超市中的松脆的水果干其实就是一种气凝胶.水果是一种水凝胶,除去其中的水分,但还能保持原有的形貌就形成了气凝胶的水果干.这种方法非常简单,可以成吨地做出水果干气凝胶,但是由于微观结构不可控,很难得到极轻材料.”

高超课题组另辟蹊径,将这两种方法的优点相结合,探索出无模板溶液冻干法：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.“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.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.

记者征得同意,用手触碰碳海绵,再挤压,感觉它比我们吃的棉花糖还软,并迅速回弹,同时也残留在手上一些黑色海绵状物质.孙海燕说：“现在的碳海绵只能压,不能拉.我们的一项重要工作是要使材料的性能更加稳定.提高石墨烯纤维的力学强度,初步制备的石墨烯纤维有着一些结构上的缺陷,从而降低了它的力学性能.同时我们也在尝试它在各个领域的应用,希望能真正地使用起来.”

“大胃王”吃有机物的速度极快

谈到碳海绵的特性,高超告诉记者,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,可以被称作吃有机物的“大胃王”.

而且,碳海绵只吸油不吸水.“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,吸进的油又可以挤出来回收,碳海绵还可以重新使用.

高超的学生许震说：“碳海绵还有吸波以及屏蔽电磁波的作用.比如,可以用它包裹飞机机身,它很轻,同时又起到吸收电磁波的作用,吸波材料的功能是,可以吸收各种波,包括雷达波,这样就没有反射波,雷达就检测不到了,就可以达到隐身的目的.”碳海绵还可能成为理想的储能、保温、催化剂载体及高效复合材料,在净化水甚至净化空气等环境污染治理上发挥重要作用,有广阔的应用前景.

高超说：“最轻的密度只是碳气凝胶材料的一个起点,将来具有更轻密度的材料将陆续出现.我们相信科学永远不会是一本写完了的书,每一项重大成就又会带来新的课题,甚至产生新的领域,不断推进科学的进步和技术的革新.”