碳纳米管海绵

Carbon nanotube sponge超强抗水海绵可以吸收相当于自身重量180倍的油质和溶剂

科学家们已经发明出了一种碳基海绵,它可以从水体表面吸收有机污染物,如油质和溶剂。这种海绵不吸收水分,可以像普通的家用海绵一样被拧干并再次使用。它在吸收了相当于自身体重180倍的有机物质以后仍然身轻质硬,并具有大幅提高清洁漏油的潜力。

曹安源教授(北京大学)和吴德海教授 清华大学)在《先进材料》(Advanced Materials )期刊上发表了其重要发现指出:“这种海绵具有新的属性。它整合了各种优点,其高密度的表面积弥补了气凝胶脆弱的缺点(目前所知的密度最低的固体材料是气凝胶),其耐用性和柔韧性又弥补了传统软性材质的不足。”

目前的商用漏油回收和工业使用吸收剂大都是以纤维素或聚丙烯为基础材质的。这些材料最多只能吸收相当于自身重量20倍的物质,而且在使用了分散剂的大量漏油处是不实用的。分散剂可稀释油质,但是油质仍然残存于水中。其它以氧化物为基础成分的多孔材质或其它聚合物可以吸收相当于自身重量两倍的污染物,但一般需要加热才能去除有机物质。高温加热对面积小的区域和船只不适用,而挤压式海绵的一个显著优势就在于油质可以立即回收和再利用。对包括溶剂清除在内的其它应用而言,这种海绵可以在不影响自身性质的前提下经过加热去除污染物。

曹教授和吴教授研制的海绵是用相互连接的碳纳米管制作而成,这是一种微细、坚硬、呈中空状且相互连接的碳原子。在这种情况下,管状物横切为30至50纳米,长度可达几十甚至数百微米(一纳米等于十亿分之一米,等于一百万分之一毫米;一微米是它的一千倍长)。这些管状物的表面呈自然疏水性(厌水性),所以海绵无需其它修改即可抗水。同时,其表面非常易于吸收油质。由于这种海绵99%的地方呈多孔状或有空隙,所以它可以浮在水面上,并留有大量的空间吸收油质,从而具有高容量的容纳空间,举例来说,这种海绵可以吸收相当于自身重量143倍的柴油,也可以吸收相当于自身重量175倍的乙烯乙二醇。

横向思维是科学家们做出突破的关键。碳纳米管研究人员的一个主要抱负就是寻找各种方法制作出大量且有序排列的管道。但是曹教授和吴教授则是另辟蹊径,他们找到了一种可以制作出较长管道的方法,而这些管道的排列几乎是杂乱无章的。这种无序性使得管道相互交错排列,这样一来,人们用手即可将海绵的体积压缩95%,并且在弯折或扭拧时也不会至其断裂。当海绵被挤压时,其孔穴内和管道表面上的油质或溶剂也一并被挤压出来。为了获得最佳效果,海绵首先必须经过一个叫做密实化的处理过程,也就是先用溶剂将其填充至满,然后轻轻挤压,经过这个处理以后,海绵就会变得非常耐用,大约可以使用上千次。当海绵放置在油质或溶剂中时,它们就会膨胀恢复到原来的尺寸,所附的数据表明:“海绵上一小撮高密度的小孔就可以迅速去除一层面积相当于其800倍、扩散开来的柴油”。即使只是把海绵放在漏油处的边缘,也可收到同样的效果。

海绵的潜在用途远远超过恢复溅撒的油质。据曹教授讲:“纳米管海绵还可以用作过滤器、薄膜或从液体或气体中去除细菌或污染物的吸收剂。它们还可以用作房屋内的吸音隔板,而士兵们可以在冲击能量中使用这种海绵,既吸收了元件同时仅增加了微乎其微的重量。也有可能将其用于隔热服装。”目前,大规模生产已在调研中。

Carbon Nanotube Sponges,X. C. Gui, J. Q. Wei, K. L. Wang, A. Y.Cao, H. W. Zhu.Y. Jia, Q. Shu, D. H. Wu, Advanced Materials, 2009, DOI:10.1002/adma.200902986