那些轻的像烟一样的材料,可以用来做啥?

从最巨大的轮船、飞机到最微小的纳米机器人,从最坚硬到最柔软的材料……人类一直在努力创造着、打破着各种世界之最。这不,2013年,“世界上最轻的材料”这一纪录被我国科学家打破后,2015年,我国再次刷新纪录,制造出0.12毫克每立方厘米的最轻材料。那么,这些超轻的材料有什么作用呢?

凝固的烟

这种世界上最轻的材料叫气凝胶。气凝胶其实并不是最近才有,早在1931年,人们就用二氧化硅制造出了它。气凝胶的内部有很多孔隙,孔隙里面充满空气,所以非常轻。为了形容它的轻,人们还给它取了一个外号——凝固的烟。

2011年,美国科学家以镍材料做出的气凝胶,成为了当时世界上最轻的材料。在真空中,1立方厘米的这种气凝胶只有0.9毫克重,比空气还要轻。

然而,作为世界上最轻的材料,它的纪录还没保持多久,就被打破了。2012年,英国和德国的几位科学家研制出了全球最轻的气凝胶,他们还给这种气凝胶取了一个非常酷的名字,叫作“飞行石墨”。1立方厘米的“飞行石墨”只有0.18毫克重,虽然它看起来像一块黑色不透明的海绵,但海绵可比它重多了,在体积上,“飞行石墨”几乎是由99.99%的空气构成的。

超轻“碳海绵”

科技发展日新月异,在世界最轻材料的排行榜里,“飞行石墨”坐在第一名的位置上,结果它屁股还没坐热,就被另一种新型的气凝胶给挤了下来。2013年3月,我国浙江大学的一个研究小组,利用碳纳米管和石墨烯制备出了一种超轻气凝胶,取名为“碳海绵”。它有多轻呢?在真空中,1立方厘米的碳海绵只重0.16毫克,而相同体积普通空气的重量是它的7倍左右,比同体积的氦气还要轻。

碳海绵如此的轻,它是怎么做出来的?

在电子显微镜下,可以看到碳海绵里面有大量的碳纳米管和石墨烯,正是这两种物质共同支撑起了那无数个小孔隙。就像大型的体育场馆一样,先用钢筋做支架,再用高强度的薄膜做墙壁。而碳海绵,就是利用碳纳米管做支架,石墨烯做墙壁。

以前,科学家虽然能制备气凝胶,但由于工艺的缘故,难以批量生产。而现在,我国发明的新工艺,可以批量生产碳海绵。

纤维气凝胶

追求最轻的材料,科学家们没有止步。2015年,我国东华大学的俞建勇院士、丁彬教授带领的纳米纤维研究团队在超轻纤维材料研究上获新成果,他们利用普通纤维膜材料开发出了一种超轻、超弹的纤维气凝胶,经中国计量认证结果显示,这种纤维气凝胶的固态材料密度仅为0.12毫克每立方厘米。这比我国之前研制的碳海绵还要轻0.04毫克每立方厘米。

最轻材料可以用来做什么

一、清理石油污染

气凝胶所采用的材料不同,用途也会不同。像浙江大学研制的那种名叫碳海绵的气凝胶,不仅制备方法上取得了突破,碳海绵还表现出了优越的性能。

碳海绵的弹性很好,被压缩80%后还可以恢复原状。它对油具有超快、超高的吸附力,是目前吸油能力最强的材料。现在的吸油产品,一般只能吸收自身重量10倍左右的油,而碳海绵的吸油量是它自身重量的250倍,最高可达900倍,神奇的是,碳海绵只吸油不吸水。另外,它吸油的速度非常快:每克碳海绵每秒可以吸收68.8克油。说到这里,很多人已经想到了碳海绵的用武之地,那就是清理海上的石油污染。海面被石油污染的时候,把碳海绵撒在海面上,它们就会源源不断地把周围的漏油迅速地吸进自己的身体。

二、吸附星际尘埃

处理石油污染只是碳海绵的一个用处,早在1999年,美国航空航天局就利用气凝胶的特性,用它来吸附星际尘埃。

在“星尘号”上,安装有一个气凝胶样品采集器,主要用来吸附彗星尘埃和星际尘埃。

当“星尘号”探测器穿过彗星尘埃时,彗星尘埃的速度很快,约为6.1千米每秒,这差不多是步枪子弹初速的9倍。如果用常规方法收集这些尘埃粒子,由于过快的冲击速度,彗星尘埃的的外形和化学结构会发生变化,有的甚至会完全被汽化。

为了在收集时不破坏它们,气凝胶样品采集器使用了硅基固体材料,内部有海绵那样的多孔结构,99.8%的空间被真空填充,当尘埃颗粒撞上气凝胶后,其减速并最终停止的过程就像飞机在跑道上滑行制动减速一样。

三、隔热和隔音

气凝胶固有的特性使它们还能成为绝好的隔热(保温)和隔音材料。

除了成为最理想的保温隔热材料,气凝胶还是很棒的吸音材料。比如我国2015年研制的这种纤维气凝胶,它可以在100-6300Hz宽频段内的高效吸音。

  • 发表于 2015-09-03 00:00
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