寻找世界最轻材料

凝固的烟

其实，气凝胶并不是最近才有，早在1931年，人们就用二氧化硅制造出了它。气凝胶的内部有很多孔隙，孔隙里面充满空气，所以非常轻。为了形容它的轻，人们还给它取了一个形象的外号——凝固的烟。

气凝胶的成分与玻璃相似，由于它具有极低的密度、高比表面积和高孔隙率，从而表现出独特的光学、热学、声学及电学性能，这将在众多领域之中都具有广泛的应用前景。

2011年，美国科学家以镍材料做出的气凝胶成为当时世界上最轻的材料，在真空中，1立方厘米的这种气凝胶只有0.9毫克重，比空气还要轻。如果把这种气凝胶放在蒲公英上，蒲公英柔软的绒毛甚至不会变形。

飞行石墨

然而，作为世界上最轻的材料，这种气凝胶的“最轻材料”纪录还没保持多久，就被打破了——英国基尔大学和德国汉堡科技大学的科学家们研制出“飞行石墨”，其密度仅为0.2毫克/立方厘米。

飞行石墨看起来像一块黑色不透明的海绵，由99.99%的空气构成。这种新材料性能稳定，具有良好的导电性、可延展性而且非常坚固，因此，可广泛应用于电池、航空航天和电气屏蔽等领域。

“飞行石墨”是由多孔的碳管在纳米和微米尺度三维交织在一起组成的网状结构。尽管其质量很轻，但弹性却非常好，拥有极强的抗压缩能力和张力负荷。它可以被压缩95%，然后恢复到原有大小。它还几乎能吸收所有光线。

超轻“碳海绵”

然而，在世界最轻材料的排行榜里，“飞行石墨”在第一名的位置上屁股还没坐热，就被另一种新型气凝胶给挤了下来。

2013年3月，我国浙江大学的课题组，利用碳纳米管和石墨烯制备出了一种超轻气凝胶，取名为“碳海绵”，又叫“全碳气凝胶”。它有多轻呢？在真空中，1立方厘米的碳海绵只重0.16毫克，而相同体积普通空气的重量是它的7倍左右，比同体积的氦气还要轻。

纤维气凝胶

追求最轻的材料，科学家们没有止步。2015年，我国东华大学的俞建勇院士、丁彬教授带领的纳米纤维研究团队在超轻纤维材料研究上获新成果，他们利用普通纤维膜材料开发出了一种超轻、超弹的纤维气凝胶。

经中国计量认证结果显示，这种纤维气凝胶的固态材料密度仅为0.12毫克每立方厘米。这比我国之前研制的碳海绵还要轻0.04毫克每立方厘米，创造了新的世界最轻材料记录。

最轻材料有怎样的用途

1、制作火星探险宇航服。2002年，美国宇航局成立了一家公司，专门生产更结实更有韧性的气凝胶。美国宇航局现在已经确定，在2018年火星探险时，宇航员们将穿上用新型气凝胶制造的宇航服。

该公司的资深科学家马克·克拉杰沃斯基说，只要在宇航服中加入一个18毫米厚的气凝胶层，那么它就能帮助宇航员扛住1300℃的高温和零下130℃的超低温。“这是我见过的最有效的恒温材料。”马克如是说。

2、采集星际尘埃。1999年2月9日，美国NASA发射“星尘号”行星间宇宙飞船，用于探测维尔特二号彗星和它的彗发成分组成。“星尘号”上，就安装有一个超低密度气凝胶样品采集器，它超过1，000平方厘米的采集面积可收集彗星尘埃和星际尘埃等各种粒子类型。

3、处理生态灾难。环保是新型气凝胶的第三个重要作用。科学家们将气凝胶亲切地称为“超级海绵”，因为其表面有成百上千万的小孔，所以是吸附水中污染物的理想材料，有望在海面漏油事故处理、燃油纯化等领域得到广泛应用。比如，1996年“海上快车”油轮沉没后，72000吨原油外泄，而如果当时用上这种材料的话，海岸的污染就不会那么严重。

3、防弹不怕被炸。防弹是新型气凝胶的第二个重要用途。美国宇航局的这家公司正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看，如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶，那么，就算炸药直接炸中，对金属片也分毫无伤。

4、隔热和隔音。气凝胶固有的特性使它们还能成为绝好的隔热保温和隔音材料。研究人员曾做过实验，让一个人把气凝胶顶在头上，上方用火焰喷枪烧烤，结果，气凝胶的表面受热变红后，下方的人员依然无恙。但是，这种隔热材料十分昂贵，因为需要用到超临界二氧化碳或者乙醇来干燥，否则它的结构会坍塌。

除了成为最理想的保温隔热材料，气凝胶还是很棒的吸音材料。比如我国2015年研制的纤维气凝胶，就可以在100-6300Hz宽频段内的高效吸音。（编辑/余风）