尋找世界最輕材料

凝固的煙

其實，氣凝膠并不是最近才有，早在1931年，人們就用二氧化硅制造出了它。氣凝膠的內(nèi)部有很多孔隙，孔隙里面充滿空氣，所以非常輕。為了形容它的輕，人們還給它取了一個形象的外號——凝固的煙。

氣凝膠的成分與玻璃相似，由于它具有極低的密度、高比表面積和高孔隙率，從而表現(xiàn)出獨特的光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)及電學(xué)性能，這將在眾多領(lǐng)域之中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

2011年，美國科學(xué)家以鎳材料做出的氣凝膠成為當時世界上最輕的材料，在真空中，1立方厘米的這種氣凝膠只有0.9毫克重，比空氣還要輕。如果把這種氣凝膠放在蒲公英上，蒲公英柔軟的絨毛甚至不會變形。

飛行石墨

然而，作為世界上最輕的材料，這種氣凝膠的“最輕材料”紀錄還沒保持多久，就被打破了——英國基爾大學(xué)和德國漢堡科技大學(xué)的科學(xué)家們研制出“飛行石墨”，其密度僅為0.2毫克/立方厘米。

飛行石墨看起來像一塊黑色不透明的海綿，由99.99%的空氣構(gòu)成。這種新材料性能穩(wěn)定，具有良好的導(dǎo)電性、可延展性而且非常堅固，因此，可廣泛應(yīng)用于電池、航空航天和電氣屏蔽等領(lǐng)域。

“飛行石墨”是由多孔的碳管在納米和微米尺度三維交織在一起組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。盡管其質(zhì)量很輕，但彈性卻非常好，擁有極強的抗壓縮能力和張力負荷。它可以被壓縮95%，然后恢復(fù)到原有大小。它還幾乎能吸收所有光線。

超輕“碳海綿”

然而，在世界最輕材料的排行榜里，“飛行石墨”在第一名的位置上屁股還沒坐熱，就被另一種新型氣凝膠給擠了下來。

2013年3月，我國浙江大學(xué)的課題組，利用碳納米管和石墨烯制備出了一種超輕氣凝膠，取名為“碳海綿”，又叫“全碳氣凝膠”。它有多輕呢？在真空中，1立方厘米的碳海綿只重0.16毫克，而相同體積普通空氣的重量是它的7倍左右，比同體積的氦氣還要輕。

纖維氣凝膠

追求最輕的材料，科學(xué)家們沒有止步。2015年，我國東華大學(xué)的俞建勇院士、丁彬教授帶領(lǐng)的納米纖維研究團隊在超輕纖維材料研究上獲新成果，他們利用普通纖維膜材料開發(fā)出了一種超輕、超彈的纖維氣凝膠。

經(jīng)中國計量認證結(jié)果顯示，這種纖維氣凝膠的固態(tài)材料密度僅為0.12毫克每立方厘米。這比我國之前研制的碳海綿還要輕0.04毫克每立方厘米，創(chuàng)造了新的世界最輕材料記錄。

最輕材料有怎樣的用途

1、制作火星探險宇航服。2002年，美國宇航局成立了一家公司，專門生產(chǎn)更結(jié)實更有韌性的氣凝膠。美國宇航局現(xiàn)在已經(jīng)確定，在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。

該公司的資深科學(xué)家馬克·克拉杰沃斯基說，只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層，那么它就能幫助宇航員扛住1300℃的高溫和零下130℃的超低溫。“這是我見過的最有效的恒溫材料。”馬克如是說。

2、采集星際塵埃。1999年2月9日，美國NASA發(fā)射“星塵號”行星間宇宙飛船，用于探測維爾特二號彗星和它的彗發(fā)成分組成。“星塵號”上，就安裝有一個超低密度氣凝膠樣品采集器，它超過1，000平方厘米的采集面積可收集彗星塵埃和星際塵埃等各種粒子類型。

3、處理生態(tài)災(zāi)難。環(huán)保是新型氣凝膠的第三個重要作用。科學(xué)家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”，因為其表面有成百上千萬的小孔，所以是吸附水中污染物的理想材料，有望在海面漏油事故處理、燃油純化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。比如，1996年“海上快車”油輪沉沒后，72000噸原油外泄，而如果當時用上這種材料的話，海岸的污染就不會那么嚴重。

3、防彈不怕被炸。防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。根據(jù)試驗室的試驗情況來看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算炸藥直接炸中，對金屬片也分毫無傷。

4、隔熱和隔音。氣凝膠固有的特性使它們還能成為絕好的隔熱保溫和隔音材料。研究人員曾做過實驗，讓一個人把氣凝膠頂在頭上，上方用火焰噴槍燒烤，結(jié)果，氣凝膠的表面受熱變紅后，下方的人員依然無恙。但是，這種隔熱材料十分昂貴，因為需要用到超臨界二氧化碳或者乙醇來干燥，否則它的結(jié)構(gòu)會坍塌。

除了成為最理想的保溫隔熱材料，氣凝膠還是很棒的吸音材料。比如我國2015年研制的纖維氣凝膠，就可以在100-6300Hz寬頻段內(nèi)的高效吸音。（編輯/余風(fēng)）