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The world's lightest material out in the world! Have you ever seen it lighter than helium?

Release time:2016-05-06   Views:216

    從最巨大的輪船、飛機到最微小的納米機器人,從最堅硬到最柔軟的材料……人類一直在努力創造著、打破著各種世界之最。這不,2013年,“世界上最輕的材料”這一紀錄被我國科學家打破后,2015年,我國再次刷新紀錄,制造出0.12毫克每立方厘米的最輕材料。那么,這些超輕的材料有什么作用呢?

  凝固的煙

  這種世界上最輕的材料叫氣凝膠。氣凝膠其實并不是最近才有,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外號——凝固的煙。

  圖為氣凝膠。

  2011年,美國科學家以鎳材料做出的氣凝膠,成為了當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。

  把這種用鎳做成的氣凝膠放在蒲公英上,柔軟的絨毛幾乎沒有變形。

  然而,作為世界上最輕的材料,它的紀錄還沒保持多久,就被打破了。2012年,英國和德國的幾位科學家研制出了全球最輕的氣凝膠,他們還給這種氣凝膠取了一個非??岬拿?,叫作“飛行石墨”。1立方厘米的“飛行石墨”只有0.18毫克重。

  “飛行石墨”這種氣凝膠還不沾水。

  超輕“碳海綿”

  2013年3月,我國浙江大學的一個研究小組,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”。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。

  100立方厘米大小的碳海綿“踩”在狗尾巴草上,纖細的絨毛幾乎沒有被壓彎。

  柔弱的幾根花蕊就能支撐起碳海綿。

  碳海綿如此的輕,它是怎么做出來的?

  在電子顯微鏡下,可以看到碳海綿里面有大量的碳納米管和石墨烯,正是這兩種物質共同支撐起了那無數個小孔隙。就像大型的體育場館一樣,先用鋼筋做支架,再用高強度的薄膜做墻壁。而碳海綿,就是利用碳納米管做支架,石墨烯做墻壁。

  以前,科學家雖然能制備氣凝膠,但由于工藝的緣故,難以批量生產。而現在,我國發明的新工藝,可以批量生產碳海綿。

  圖為實驗室里面有很多這樣的碳海綿。

  纖維氣凝膠

  追求最輕的材料,科學家們沒有止步。2015年,我國東華大學的俞建勇院士、丁彬教授帶領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出了一種超輕、超彈的纖維氣凝膠,經中國計量認證結果顯示,這種纖維氣凝膠的固態材料密度僅為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。

  最輕材料可以用來做什么

  一、清理石油污染

  氣凝膠所采用的材料不同,用途也會不同。像浙江大學研制的那種名叫碳海綿的氣凝膠,彈性很好,被壓縮80%后還可以恢復原狀。它對油具有超快、超高的吸附力,是目前吸油能力最強的材料?,F在的吸油產品,一般只能吸收自身重量10倍左右的油,而碳海綿的吸油量是它自身重量的250倍,最高可達900倍,神奇的是,碳海綿只吸油不吸水。

  二、吸附星際塵埃

  處理石油污染只是碳海綿的一個用處,早在1999年,美國航空航天局就利用氣凝膠的特性,用它來吸附星際塵埃。

  圖為美國“星塵號”探測器,主要目的是探測維爾特二號彗星。1999年2月7日由NASA發射升空。返回艙于2006年1月15日在美國猶他州著陸。

  在“星塵號”上,安裝有一個氣凝膠樣品采集器,主要用來吸附彗星塵埃和星際塵埃。

  圖為帶有氣凝膠樣品采集器。

  當“星塵號”探測器穿過彗星塵埃時,彗星塵埃的速度很快,約為6.1千米每秒,這差不多是步槍子彈初速的9倍。如果用常規方法收集這些塵埃粒子,由于過快的沖擊速度,彗星塵埃的的外形和化學結構會發生變化,有的甚至會完全被汽化。

  為了在收集時不破壞它們,氣凝膠樣品采集器使用了硅基固體材料,內部有海綿那樣的多孔結構,99.8%的空間被真空填充,當塵埃顆粒撞上氣凝膠后,其減速并最終停止的過程就像飛機在跑道上滑行制動減速一樣。

  圖為氣凝膠樣品采集器所黏著上的塵埃。

  三、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。

  氣凝膠用二氧化硅做成,在下方火焰的燒烤下,上方的的花朵無損,氣凝膠表現出了強大的隔熱性能。

  圖中的黑色材料也是氣凝膠材料,一個人把其頂在頭上,上方用火焰噴槍燒烤,圖中可見,氣凝膠的表面已經變紅,而下方的人員無恙。請看下面的視頻這種材料比空氣還要輕,卻可以拿在手上任憑火焰噴槍燒烤。

  氣凝膠可以由不同的材料做成,比如二氧化硅、碳納米材料等。

  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年研制的這種纖維氣凝膠,它可以在100-6300Hz寬頻段內的高效吸音。



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