寻找世界最轻材料

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  凝固的烟
  其实,气凝胶并不是最近才有,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形象的外号——凝固的烟。
  气凝胶的成分与玻璃相似,由于它具有极低的密度、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。
  2011年,美国科学家以镍材料做出的气凝胶成为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。如果把这种气凝胶放在蒲公英上,蒲公英柔软的绒毛甚至不会变形。
  飞行石墨
  然而,作为世界上最轻的材料,这种气凝胶的“最轻材料”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“飞行石墨”,其密度仅为0.2毫克/立方厘米。
  飞行石墨看起来像一块黑色不透明的海绵,由99.99%的空气构成。这种新材料性能稳定,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。
  “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。
  超轻“碳海绵”
  然而,在世界最轻材料的排行榜里,“飞行石墨”在第一名的位置上屁股还没坐热,就被另一种新型气凝胶给挤了下来。
  2013年3月,我国浙江大学的课题组,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”,又叫“全碳气凝胶”。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。
  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,创造了新的世界最轻材料记录。
  最轻材料有怎样的用途
  1、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。
  2、采集星际尘埃。1999年2月9日,美国NASA发射“星尘号”行星间宇宙飞船,用于探测维尔特二号彗星和它的彗发成分组成。“星尘号”上,就安装有一个超低密度气凝胶样品采集器,它超过1,000平方厘米的采集面积可收集彗星尘埃和星际尘埃等各种粒子类型。
  3、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,所以是吸附水中污染物的理想材料,有望在海面漏油事故处理、燃油纯化等领域得到广泛应用。比如,1996年“海上快车”油轮沉没后,72000吨原油外泄,而如果当时用上这种材料的话,海岸的污染就不会那么严重。
  3、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。

  4、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。研究人员曾做过实验,让一个人把气凝胶顶在头上,上方用火焰喷枪烧烤,结果,气凝胶的表面受热变红后,下方的人员依然无恙。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,否则它的结构会坍塌。
  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年研制的纤维气凝胶,就可以在100-6300Hz宽频段内的高效吸音。(编辑/余风)
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