約8立方釐米的“碳海綿”立在桃花花蕊上。汪曉勇攝
浙江大學高分子系高超教授的課題組制備出了一種超輕氣凝膠——它刷新了目前世界上最輕材料的紀錄，彈性和吸油能力令人驚喜。這種被稱為“全碳氣凝膠”的固態材料密度為每立方釐米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6。日前，這一進展被《自然》雜志在“研究要聞”欄目中重點配圖評論。
據介紹，氣凝膠是入選吉尼斯世界紀錄的最輕的一類物質，因其內部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。1931年，美國科學家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠，外號 “凝固的煙”。2011年，美國HRL實驗室、加州大學歐文分校和加州理工學院合作制備了一種鎳構成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方釐米，創下了當時最輕材料的紀錄。把這種材料放在蒲公英花朵上，柔軟的絨毛幾乎沒有變形——這張照片入選了《自然》雜志年度十大圖片，也給高超留下了深刻印像：能不能制備出一種材料，挑戰這個極限？
我國的石墨儲備非常豐富，占全世界的2/3。科學家一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨變成石墨烯(一種由碳原子構成的單層片狀結構)，其價值可以上升數千倍。”高超的課題組經過五六年的探索，制備出了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。這次，他們打算把石墨烯做成三維多孔材料來衝擊這一紀錄。
制作簡便
形狀、尺寸可任意調節，大規模制造成可能
在實驗室，記者看到了一個個大小不等的“碳海綿”：它們大的如網球，小的如酒瓶塞。在電子顯微鏡下，碳納米管和石墨烯共同支撐起無數個孔隙。
“就像體育場館等大型空間結構，用鋼筋做支架，用高強度的薄膜等做牆壁，材料整體既輕且強。”課題組博士生孫海燕說，“在這裡，碳納米管就是支架，石墨烯就是牆壁。”
在已報道的成果中，高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀錄保持者——可達到0.16毫克/立方釐米，低於氦氣的密度。相關論文2月18日在線發表在《先進材料》上。但課題組對申報吉尼斯世界紀錄興趣不大，“‘輕’並不是它最大的新意所在”。高超解釋：它的價值在於其簡便的制備方法，以及材料所展現出來的優越性能。
科學家介紹說，氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。在以往制備氣凝膠的案例中，科學家主要采用溶膠—凝膠法和模板導向法。前者可以批量合成，但是可控性差；後者能產生有序的結構，但依賴於模板的精細結構和尺寸，難以大量制備。高超課題組另辟蹊徑，探索出無模板冷凍干燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，並且可以任意調節形狀，令生產過程更加便捷，也使這種超輕材料的大規模制造和應用成為可能。
“不需要模板，只與容器有關。容器多大，就可以制備多大，可以做到上千立方釐米，甚至更大。”高超說。
性能優越
高彈性、強吸附，應用前景廣闊
《自然》雜志點評的標題是：《固體碳：彈性而輕盈》，認為這一新生事物的性能令人驚喜。
據介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%後仍可恢復原狀。它對有機溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報道的吸油力最高的材料。現有的吸油產品一般只能吸自身質量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機物。這讓人想到用它來處理海上的漏油，“可以把它們撒在海面上，就能把漏油迅速地吸收進來，因為有彈性，吸的油能夠被壓出來回收利用，‘碳海綿’也可以重新使用。”科研人員表示。
目前，實驗室正在對這一材料的吸附性能進行進一步的應用性研究。科研人員說，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復合材料。不過，這一新生材料就如呱呱墜地的嬰兒，科學家還很難准確預計其應用領域與前景，還得依靠社會以及產業界的想像力，讓這個新材料走出實驗室，實現應用價值。