尋找世界最輕材料

凝固的煙

其實(shí)，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(gè)形象的外號(hào)——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(dú)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(guó)科學(xué)家以鎳材料做出的氣凝膠成為當(dāng)時(shí)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(huì)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(méi)保持多久，就被打破了——英國(guó)基爾大學(xué)和德國(guó)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(lái)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(jiān)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(qiáng)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(méi)坐熱，就被另一種新型氣凝膠給擠了下來(lái)。

2013年3月，我國(guó)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(méi)有止步。2015年，我國(guó)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(tuán)隊(duì)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(kāi)發(fā)出了一種超輕、超彈的纖維氣凝膠。

經(jīng)中國(guó)計(jì)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(guó)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(xiǎn)宇航服。2002年，美國(guó)宇航局成立了一家公司，專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)更結(jié)實(shí)更有韌性的氣凝膠。美國(guó)宇航局現(xiàn)在已經(jīng)確定，在2018年火星探險(xiǎn)時(shí)，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(shuō)，只要在宇航服中加入一個(gè)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(jiàn)過(guò)的最有效的恒溫材料?！瘪R克如是說(shuō)。

2、采集星際塵埃。1999年2月9日，美國(guó)NASA發(fā)射“星塵號(hào)”行星間宇宙飛船，用于探測(cè)維爾特二號(hào)彗星和它的彗發(fā)成分組成?！靶菈m號(hào)”上，就安裝有一個(gè)超低密度氣凝膠樣品采集器，它超過(guò)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(lèi)型。

3、處理生態(tài)災(zāi)難。環(huán)保是新型氣凝膠的第三個(gè)重要作用。科學(xué)家們將氣凝膠親切地稱為“超級(jí)海綿”，因?yàn)槠浔砻嬗谐砂偕锨f(wàn)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(chē)”油輪沉沒(méi)后，72000噸原油外泄，而如果當(dāng)時(shí)用上這種材料的話，海岸的污染就不會(huì)那么嚴(yán)重。

3、防彈不怕被炸。防彈是新型氣凝膠的第二個(gè)重要用途。美國(guó)宇航局的這家公司正在對(duì)用氣凝膠建造的住所和軍車(chē)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)室的試驗(yàn)情況來(lái)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(duì)金屬片也分毫無(wú)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(guò)實(shí)驗(yàn)，讓一個(gè)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(wú)恙。但是，這種隔熱材料十分昂貴，因?yàn)樾枰玫匠R界二氧化碳或者乙醇來(lái)干燥，否則它的結(jié)構(gòu)會(huì)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(guó)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)）