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最轻的固体材料:气凝胶

来源:检测通微信公号|

发表时间:2017-03-07

点击:6950

从气凝胶到“飞行石墨”,再到“碳海绵”,科学家们一次一次地刷新着“世界上最轻的材料”的纪录,今天就让我们走进气凝胶,来看看世界上“最轻的材料”。


气凝胶

气凝胶是一种固体物质形态,世界上密度最小的固体。气凝胶作为世界最轻的固体,已入选吉尼斯世界纪录。这种新材料密度仅为79.5千克每立方米,室温导热系数可达0.013瓦/(米.卡尔文)。这种物质看上去像凝固的烟,但它的成分与玻璃相似。由于气凝胶具有极低的密度、高比表面积和高孔隙率,从而表现出独特的光学、热学、声学、及电学性能,这将在众多领域之中都具有广泛的应用前景。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。




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。英国基尔大学和德国汉堡科技大学的科学家们研制出了迄今为止全球最轻的材料“飞行石墨”(Aerographite),其密度仅为0.2毫克/立方厘米。虽然它看起来像一块黑色不透明的海绵,但却是由99.99%的空气构成。研究人员表示,新材料性能稳定,具有良好的导电性、可延展性而且非常坚固,因此,可广泛应用于电池、航空航天和电气屏蔽等领域。研究发表在《先进材料》杂志上。


“飞行石墨”是由多孔的碳管在纳米和微米尺度三维交织在一起组成的网状结构。尽管其质量很轻,但弹性却非常好,拥有极强的抗压缩能力和张力负荷。它可以被压缩95%,然后恢复到原有大小。它还几乎能吸收所有光线。


(“飞行石墨”这种气凝胶还不沾水)


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。


(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?

它的制造是将气体取代液体在凝胶中的位置而成,而如此做出的结果造就了拥有数种杰出特性的极轻物质。其中最引人注目的是它良好的隔热能力。这样的物质拥有许多俗名与昵称,如:冻结的烟雾(frozen smoke)、固态的烟雾(solid smoke)、固态的空气(solid air)、蓝烟(blue smoke)、旧金山之雾(San Fransisco fog)等,而这些都源自于他的透明性与物质中的光线散射能力。不过,这种物质的触感却像是聚苯乙烯一般。
气凝胶借由临界干燥法将凝胶里头的液体成分抽出。这种方法会令液体缓慢的被脱出,但不至于使凝胶里的固体结构因为伴随的毛细作用被挤压破碎。世界上第一个气凝胶体的主要成分是硅胶。Kistler随后又造出了以铝、铬、氧化锡为基础物质的凝胶。第一个碳凝胶体则迟至1980年代以后才被开发。”


全碳气凝胶

“浙江大学高分子科学与工程学系高超教授的课题组将含有石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下冻干,去除水分、保留骨架,成功刷新了“最轻材料”的纪录。此前的“世界纪录保持者”是由德国科学家在2012年底制造的一种名为“石墨气凝胶”的材料,密度为每立方厘米0.18毫克。”


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。


最轻材料有怎样的用途


一、制作火星探险宇航服

2002年,美国宇航局成立了一家公司,专门生产更结实更有韧性的气凝胶。美国宇航局现在已经确定,在2018年火星探险时,宇航员们将穿上用新型气凝胶制造的宇航服。该公司的资深科学家马克·克拉杰沃斯基说,只要在宇航服中加入一个18毫米厚的气凝胶层,那么它就能帮助宇航员扛住1300℃的高温和零下130℃的超低温。“这是我见过的最有效的恒温材料。”马克如是说。


二、可处理生态灾难

环保是新型气凝胶的第三个重要作用。科学家们将气凝胶亲切地称为“超级海绵”,因为其表面有成百上千万的小孔,所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美国科学家新发明的气凝胶现在居然能吸出水中的铅和水银。据这位科学家称,这种气凝胶是处理生态灾难的绝好材料,比如说1996年“海上快车”油轮沉没后,72000吨原油外泄,如果当时用上这种材料的话,那么就不会导致整个海岸受到严重的污染。


三、防弹不怕被炸

防弹是新型气凝胶的第二个重要用途。美国宇航局的这家公司正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看,如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶,那么,就算炸药直接炸中,对金属片也分毫无伤。

(图为美国“星尘号”行星间宇宙飞船,主要目的是探测维尔特二号彗星和它的彗发成分组成。它于1999年2月9日由NASA发射升空,经过46亿公里(29亿英里)的旅行,2006年1月15日成功返回舱在地球着陆)


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)


彗星和星际尘埃由超低密度气凝胶收集。超过1,000平方厘米的采集面积可收集各种粒子类型(彗星尘埃和星际尘埃)。



当飞船穿过彗星时,被捕获的粒子冲急速度为6100米/秒,大于来复步枪子弹发射速度的9倍。尽管捕获星尘号的粒子比一粒沙还小,但是高速捕获还是能改变他们的外形和化学结构或者完全被汽化。


星尘太空舱和它展开的气凝胶收集器为了收集时不破坏它们,采集器使用了硅基固体材料,它有海绵那样的多孔结构,99.8%的空间被真空填充,如果这种材料被空气填充,它几乎能在空气中漂浮。气凝胶密度只有玻璃的千分之一,another silicon-based solid.当颗粒撞上气凝胶,它就被埋在材料里面,画出比自己长200倍的胡萝卜形的轨迹,在此期间减速停止就像飞机跑道上滑行制动减速一样。因为气凝胶几乎透明,又是也被叫做“蓝烟”,科学家将利用这些轨迹寻找微小的颗粒。气溶胶保存在样品返回舱(Sample Return Capsule (SRC)),在返回大气层时由主船体释放,使用降落伞减速降落,剩余部分将重新点火,进入绕太阳轨道。


(图为气凝胶样品采集器所黏着上的尘埃)


四、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。

(图为气凝胶纳米碳孔隔热板)

(图中的黑色材料也是气凝胶,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。但是这种隔热材料十分昂贵,因为需要用到超临界二氧化碳或者乙醇来干燥,否则结构会坍塌。大块的成本尤其高,NASA曾花不知道多少钱打造了一块用来抓超速粒子)


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。2012年年初,66岁的鲍博·斯托克成为第一个将气凝胶用于住房的英国人:“保温加热的效果非常好,我将空调的温度下降了5℃,结果室内的温度仍然非常舒适。”登山者也对气凝胶的运用充满了希望。英国登山家安尼·帕尔门特去年登珠峰时所穿的鞋子就是使用了部分气凝胶材料,他的睡袋里也有一层这种新材料。





来源:检测通微信公号


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