【写作竞赛】超轻全碳弹性气凝胶

气凝胶又称干凝胶,即除去凝胶中的溶剂后保留的完整干骨架。气凝胶具有多孔结构、密度低、孔隙率高、比表面积大等特点,可广泛使用于航天探测、吸波材料、环境保护、高效催化、超级电容器等多个领域。一般密度低于10 mg/cm3的气凝胶称为超轻材料。自从20世纪30年代超轻气凝胶被发现以来,经过无数科学家的努力,气凝胶成分和性能都在不断的完善和改进,用途也越来越广泛。近年来发现的石墨烯和碳管,具有强度高,密度低,弹性好,长径比大,导电性优异等特性,为这个领域增添了一股新鲜力量。但是想要大量获得超轻弹性气凝胶仍然是一个挑战。

最近浙江大学高分子系高超课题组利用大型建筑中常用的大跨度结构的概念发展了无模板的冷冻干燥法成功制备出超轻气凝胶。在这种气凝胶中,相互缠结的弹性纳米碳管网络吸附于柔软的石墨烯的表面,协同组装形成一个有弹性的微观尺度上的大跨度结构,这种杂化的结构单元以相互交叠、扭曲的方式组装起来得到宏观尺度上的弹性的气凝胶。气凝胶的密度可很容易地进行调节,最低可达到0.16mg/cm3,低于美国科学家在2011年制备出的超轻镍泡沫材料的密度(0.9mg/cm3)(Science 2011, 334, 962),且可大量制备(如1000 cm3)。该材料具有无温度依赖的超弹性,当压缩80%后仍可弹回,可以适应极端温度环境下的应用。通过扫描电子显微镜原位观察了单片杂化结构单元在应力下的压缩和回弹,从而证明了微观尺度上的大跨度结构的弹性是该气凝胶的宏观弹性来源。研究同时发现,这种气凝胶对有机溶剂具有超快、超高吸附力,依据不同的溶剂密度可达到自身重量的215-913 倍,是目前报道的最高值,且可以反复利用。吸附有机物之后形成的复合物具有一定的导电率,克服了传统复合材料高填充低导电率的缺点,为制备低填充高导电复合物提供了一条新的路径。该材料还可应用于海上漏油等环境污染治理、相变热储能、高效催化剂载体、超级电容器等领域。成果发表在《先进材料》(Adv. Mater., 2013, DOI: 10.1002/adma.201204576)上,并被Nature (2013, 494, 404)在其Research Highlights 中以“Solid carbon, springy and light”为题对该工作给予了配图评论。