科技
P08-P17
┃吉彦杰袁圣敏
从最巨大的建筑到最小的零件，从最坚硬到最柔软的材料，人类一直致力于超越各种“之最”。现在，“最轻材料”这一纪录又被科学家超越了。日前，中国刷新了世界新材料领域的一项纪录——
世
界
最
轻
材
料
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造︱︱︱﹃
碳
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成
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料
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域
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宠
我国的石墨储备非常丰富，占全世界的2/3。科学家一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨变成石墨烯（一种由碳原子构成的单层片状结构），其价值可以上升数千倍。”高超的课题组经过五六年的探索，制备出了一维的石墨烯纤维和二维的石墨烯薄膜。
一种新材料的诞生往往能够带动一个大规模的产业发展。这一次，在这一尖端科研领域里，中国人走在了世界前列，国人为之振奋。网络上，大家已经开始热切地猜想各种可能的应用了：环保、航天、飞艇、3D打印……在这热切期许的背
后，是中国在先进材料领域科研力量实实在在的增强。我们在关注这项突破本身的同时，也期待未来在尖端领域中，能够出现更多中国人的身影。“真身”揭秘
学名：全碳气凝胶。
昵称：碳海绵。中国世界之最
物态：固态。
特长：极轻、高弹、超强吸附。
籍贯：浙江大学高分子科学与工程学系高超教授的课题组。
来历：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。
前辈：气凝胶是入选吉尼斯世界纪录的最轻的一类物质，因其内部有很多孔隙，充斥着空气而得名。1931年，美国科学家用二氧化硅制得了最早的气凝胶，外号“凝固的烟”。2011年最轻材料纪录——
—镍气凝胶，密度为0.9mg/cm3（美国）；2012年最轻材料纪录——
—石墨气凝胶，密度为0.18mg/cm3（德国）。
如今，浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种超轻气凝胶——
—它刷新了目前世界上最轻材料的纪录，其弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为0.16mg/cm3，仅是空气密度的1/6。它的内部有很多孔隙，充满空气。碳海绵是一种气凝胶，是以石墨烯为墙壁，碳纳米管为支架，两种材料的水溶液在低温环境下冻干，去除水分、保留骨架，最后形成的一种超轻材料。碳海绵可任意调节形状，弹性也很好，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已被报道的吸油力最强的材料。
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“才艺”
展示在浙江大学高分子科学与工程学系教授高超的课题组实验室里，记者看到了一个个大小不等的碳海绵：它们之中，大的如网球，小的如酒瓶塞。灰黑的颜，摸上去却很有弹性……哪怕将一个如瓶塞大小的碳海绵放在狗尾草上，纤细的草须也不会被压弯。……在电子显微镜下，碳纳米管和石墨烯共同支撑起无数个孔隙。
“就像体育场馆等大型空间结构，
用钢筋做支架，用高强度的薄膜等做墙壁，材料整体既轻且强。”课题组博士生孙海燕说，“在这里，碳纳米管就是支架，石墨烯就是墙壁。”
在已报道的成果中，高超课题组制备的碳海绵是最轻纪录保持者———可达到0.16mg/cm 3，低于氦气的密度，但课题组对申报吉尼斯世界纪录的兴趣不大。“‘轻’并不是它最大的新意所在。”高超解释，“它的价值在于其简便的制备方法和新材料所展现出来的优越性能。”
科学家介绍说，气凝胶的基本制备原理是除去凝胶中的溶剂，让其保留完整的骨架。在以往制备气凝胶的案例中，科学家主要采用溶胶—凝胶法和模板导向法，
存在“精细结构”和“批量制备”难以兼顾的难题。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能产生有序的结构，但依赖于模板的精细结构和尺寸，难以大量制备。高超课题组另辟蹊径，探索出无模板冷冻干燥法：将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干，便获得了碳海绵，并且可以任意调节形状，令生产过程更加便捷，也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。
正是由于碳海绵生产过程非常便捷，
使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。“目前，实验室成功研制的最大碳海绵体积为1L ，更大体积的碳海绵如果需要，也可以制造。”高超说，“制造碳海绵不需要模板，只与容器大小有关。容器多大，就可以制备多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大。”“前途”
无量《自然》杂志对这一研究成果的点评的标题是：《固体碳：弹性而轻盈》，认为这一新材料的性能令人惊喜。
据介绍，碳海绵具备高弹性，虽然看上去“脆弱不堪”，但“全碳气凝胶”可以在数千次被压缩至原体积的20%之后迅速复原。它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是迄今已报道的吸油力最高的材料。现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的有机溶剂，而碳海绵的吸收量是250倍左右，最高可达900倍，而且只吸油不吸水。如此“大胃王”吃有机物的速度极快：每克这样的碳海绵每秒可以吸收68.8g 有机物，这也让它有望成为处理海上漏油的不二选择。“只要把它们撒在海面上，就能把漏油迅速地吸收进来，因为有弹性，吸的油能够被压出来回收利用，碳海绵仍可以重新使用。”科研人员表示。
目前，碳海绵的生产还处于初始阶段，由于配方以及制作工艺的熟练程度等原因，碳海绵的成功率不高。不过，一旦熟练掌握了制作工艺，碳海绵制作的成功率将很高，并且生产一小块碳海绵的成本非常低，几乎可以忽略不计。实验室正在对这一材料的吸附性能进行进一步的应用性研究。科研人员说，碳海绵还可能成为理想的相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。
随着碳海绵这一新生事物的面世，
市场已经在热炒其将来在吸油、环保、航天、军工等方面的应用。碳海绵的超轻特性也吸引了军工领域的注意。如果能够形成复合材料，其抗酸抗碱抗盐性能良好，又够轻，有望应用在飞机的外涂层。
不过，这一新生材料就如呱呱坠地的婴儿，科学家还很难准确预计其应用领域与前景，还得依靠社会以及产业界的想象力，让这个新材料走出实验室，
实现应用价值。（整理/丙宸）
碳海绵何以有如此强大的性能和应用前景？这来源于其优秀的基因———石墨烯。
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈
·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在。仅仅6年之后，两人便因此共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。一个成果从完成到获诺奖，仅仅间隔6年时间，是
十分罕见的。
由于石墨烯具有超高的强度和韧性、不透水、不透气、抵御强酸强碱，既能导电又高度透明等
一系列神奇性质，各方面对它的研发都投入了极大的兴趣。有科学家甚至预言，石墨烯将
“彻底改变21世纪”。石墨烯
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