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        尋找世界最輕材料

        2016-03-01 06:07:24
        大眾科學(xué) 2016年2期

        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(dāng)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(jì)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(fù)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?xì)饽z”。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(rèn)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?!斑@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?!靶菈m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??茖W(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(dāng)時用上這種材料的話,海岸的污染就不會那么嚴(yán)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(jìn)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))

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