浙江大學(xué)高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠——它刷新了目前世界上最輕材料的記錄，彈性和吸油能力令人驚喜。這一進(jìn)展被《自然》雜志在“研究要聞”欄目中重點(diǎn)配圖評(píng)論。
氣凝膠是入選吉尼斯世界記錄的最輕的一類(lèi)物質(zhì)，因其內(nèi)部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。1931年，美國(guó)科學(xué)家Kistler用二氧化硅制得了最早的氣凝膠，外號(hào) “凝固的煙”。2011年，美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)歐文分校和加州理工學(xué)院合作制備了一種鎳構(gòu)成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)最輕材料的記錄。把這種材料放在蒲公英花朵上，柔軟的絨毛幾乎沒(méi)有變形——這張照片入選了《自然》雜志年度十大圖片，也給高超留下了深刻印象：能不能制備出一種材料，挑戰(zhàn)這個(gè)極限？
我國(guó)的石墨儲(chǔ)備非常豐富，占全世界的三分之二?？茖W(xué)家一直在探索石墨高效利用的方法。 “把石墨變成石墨烯（一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)），其價(jià)值可以上升數(shù)千倍。”高超的課題組經(jīng)過(guò)五六年的探索，解決了宏觀(guān)制備宏觀(guān)有序的石墨烯材料的方法，制備了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。這次，他們打算把石墨烯做成三維多孔材料來(lái)沖擊這一記錄。在實(shí)驗(yàn)室，記者看到了一個(gè)個(gè)大小不等的“碳海綿”：它們大的如網(wǎng)球，小的如酒瓶塞。在電子顯微鏡下，碳納米管和石墨烯共同支撐起無(wú)數(shù)個(gè)孔隙，“就像大型體育場(chǎng)館等大型空間結(jié)構(gòu)，用鋼筋做支架，用高強(qiáng)度的薄膜等做墻壁，材料整體既輕且強(qiáng)。”課題組博士生孫海燕說(shuō)，“在這里，碳納米管就是支架，石墨烯就是墻壁。”
在已報(bào)道的成果中，高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀(jì)錄保持者——可達(dá)到0.16毫克/立方厘米，低于氦氣的密度。相關(guān)論文
氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往制備氣凝膠的案例中，科學(xué)家主要采用溶膠—凝膠法和模板導(dǎo)向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產(chǎn)生有序的結(jié)構(gòu)，但依賴(lài)于模板的精細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸，難以大量制備。高超課題組另辟蹊徑，探索出無(wú)模板冷凍干燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，并且可以任意調(diào)節(jié)形狀。“不需要模板，只與容器有關(guān)。容器多大，就可以制備多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大。”高超說(shuō)。
《自然》雜志點(diǎn)評(píng)的標(biāo)題是：《固體碳：彈性而輕盈》。這一新生事物的性能令人驚喜。它高彈，“碳海綿”被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對(duì)有機(jī)溶劑具有超快、超高的吸附力，是已報(bào)道的吸油力最高的材料?，F(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是自身質(zhì)量的250倍左右，最高可達(dá)900倍，而且只吸油不吸水。此外，“大胃王”吃有機(jī)物的速度也極快：每克這樣的碳海綿每秒可以吸收
就如一個(gè)呱呱墜地的嬰兒，對(duì)這一新生材料，科學(xué)家還很難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)它的應(yīng)用領(lǐng)域與前景，還得依靠現(xiàn)實(shí)社會(huì)以及產(chǎn)業(yè)界的想象力，讓這個(gè)新材料走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)對(duì)世界的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
(周煒)
