碳海绵是什么？揭秘石墨烯应用之史上最轻固体物质“碳海绵”
碳海绵是什么？
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，弹性和吸油能力令人惊喜。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克，仅是空气密度的1/6。日前，这一进展被《自然》杂志在“研究要闻”栏目中重点配图评论。
据介绍，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，故而得名。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，美国HRL实验室、加州大学欧文分校和加州理工学院合作制备了一种镍构成的气凝胶，密度为0.9毫克/立方厘米，创下了当时最轻材料的纪录。把这种材料放在蒲公英花朵上，柔软的绒毛几乎没有变形——这张照片入选了《自然》杂志年度十大图片，也给高超留下了深刻印象：能不能制备出一种材料，挑战这个极限?
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。这次，他们打算把石墨烯做成三维多孔材料来冲击这一纪录。
制作简便
形状、尺寸可任意调节，大规模制造成可能
在实验室，记者看到了一个个大小不等的“碳海绵”：它们大的如网球，小的如酒瓶塞。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。”
在易碳家报道的成果中，高超课题组制备的“碳海绵”仍是最轻纪录保持者——可达到0.16毫克/立方厘米，低于氦气的密度。相关论文2月18日在线发表在《先进材料》上。但课题组对申报吉尼斯世界纪录兴趣不大，“‘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，以及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。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。
“不需要模板，只与容器有关。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。”高超说。
性能优越
高弹性、强吸附，应用前景广阔
《自然》杂志点评的标题是：《固体碳：弹性而轻盈》，认为这一新生事物的性能令人惊喜。
据介绍，“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。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倍左右的液体，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。“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68.8克有机物。这让人想到用它来处理海上的漏油，“可以把它们撒在海面上，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’也可以重新使用。”科研人员表示。
目前，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。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，
任何与石墨烯有关的消息，都牵动着资本市场无数的目光。
日前，浙江大学高分子科学与工程学系教授高超的课题组，制造出史上最轻固体物质“碳海绵”，便是石墨烯的应用之一。“也许到了年底，一切进展顺利，我们就能看到(工业化的)产品。”高超憧憬。
近日，在浙江大学高分子楼的实验室，证券时报记者见到了略显疲倦的高超。目前，碳海绵还是个新生事物，它的很多特性还只是在实验室中的数据，是否能产业化很难准确估计。
大的像网球，小的像酒瓶塞，灰黑的颜色，摸上去却很有弹性……一块如瓶塞大小的碳海绵放到花瓣上，花瓣竟然毫无变化……在高超课题组的实验室中，记者见到了这项被称为目前世界上已知的最轻固体新材料。
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。
这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料，在真空中的密度仅每立方厘米0.16毫克，是普通空气密度的1/6，也是迄今为止世界上最轻的材料。
根据实验结果，碳海绵的弹性和吸油能力令人惊喜，并且还可以任意调节形状，被压缩80%后仍可恢复原状。另外，碳海绵还对有机溶剂有超快、超高的吸附力，是已知的吸油力最强的材料。
高超课题组的研究生孙海燕告诉记者，碳海绵的生产采用无模板冷冻干燥法，可以任意调节形状。碳海绵的大小只和容器有关，容器多大，就可制备多大。
孙海燕介绍，目前碳海绵的生产还处于最开始阶段，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。”孙海燕说。
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最大为1升，更大体积的碳海绵如果需要，也可以制造。”高超说。
用于军工环保等领域
无疑，一种新材料的诞生，往往能够带动一个产业的发展。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。
事实上，高超对于市场连番的炒作已经略带疲倦。目前，碳海绵还只是一个新生事物，他的很多特性还只是在实验室中的数据，是否能产业化很难准确估计。但高超又对其产业化前景看好，“也许到了年底，一切进展顺利，我们就能看到产品了。”
说起碳海绵在吸油、环保等领域的应用，这主要得益于其强大的吸附能力以及抗压缩能力。
据介绍，碳海绵具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。它对有机溶剂具有超快、超高吸附力，是迄今已知的吸油力最高的材料。
高超告诉记者，现有的吸油产品，一般只能吸自身质量10倍左右的液体。目前碳海绵吸油能力实际测量值在400~500倍，是目前已知的吸油性能最好产品的2~4倍，而且理论值可达到900倍，且只吸油不吸水。另外，碳海绵的弹性不受温度影响，没有温度依赖性，甚至可以在极寒或者极热的地区工作。
除了强大的吸附力，碳海绵还有吸收有机物速度极快的特点。高超称，每克碳海绵，每秒可以吸收68.8克有机物，这也让它成为处理海上漏油的不二选择。高超表示，因为有弹性，吸收的油能够被压出来回收利用，碳海绵也可以重新使用。
此外，碳海绵的超轻特性也吸引了军工领域的注意。据记者了解，如果能够形成复合材料，其抗酸抗碱抗盐良好，又够轻，有望应用在飞机的外涂层。
高超称，目前，实验室也在对碳海绵的吸附性进行进一步的应用性研究。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