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世界最轻材料现世!比氦气还要轻你见过吗?

发布时间:2016-05-06   浏览量:101

  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。

  图为气凝胶。

  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。

  把这种用镍做成的气凝胶放在蒲公英上,柔软的绒毛几乎没有变形。

  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。

  “飞行石墨”这种气凝胶还不沾水。

  超轻“碳海绵”

  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。

  100立方厘米大小的碳海绵“踩”在狗尾巴草上,纤细的绒毛几乎没有被压弯。

  柔弱的几根花蕊就能支撑起碳海绵。

  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。

  图为实验室里面有很多这样的碳海绵。

  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,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。

  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。

  图为美国“星尘号”探测器,主要目的是探测维尔特二号彗星。1999年2月7日由NASA发射升空。返回舱于2006年1月15日在美国犹他州着陆。

  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。

  图为带有气凝胶样品采集器。

  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。

  图为气凝胶样品采集器所黏着上的尘埃。

  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。

  气凝胶用二氧化硅做成,在下方火焰的烧烤下,上方的的花朵无损,气凝胶表现出了强大的隔热性能。

  图中的黑色材料也是气凝胶材料,一个人把其顶在头上,上方用火焰喷枪烧烤,图中可见,气凝胶的表面已经变红,而下方的人员无恙。请看下面的视频这种材料比空气还要轻,却可以拿在手上任凭火焰喷枪烧烤。

  气凝胶可以由不同的材料做成,比如二氧化硅、碳纳米材料等。

  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。



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