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浙江大学研究人员制造出世界上最轻的固体材料“碳海绵”。

撰文：刘洋

两年前，美国科学家制备了一种由镍构成的气凝胶，它的密度达到了创纪录的0.9 mg/cm3，该材料的一张图片还入选了《自然》杂志年度十大图片——图片中，一块气凝胶安静地躺在蒲公英的绒毛上，而后者几乎没有发生任何形变。

正是这张图片，让浙江大学高分子系的高超教授萌生了挑战固态物质密度极限的想法。此前，高超及其领导的团队一直致力于用石墨烯构筑新型宏观材料的研究。从氧化石墨烯液晶出发，这一团队此前已经成功实现了石墨烯纤维的连续制备和多孔气凝胶石墨烯纤维的成形。

高超仔细研究了美国同行制备“碳海绵”时所使用的“模板导向法”。这种方法先制备出所需模板，然后在模板表面“沉积”上所设计的原材料，再把模板除掉，留下多孔支架。这种方法可以相对容易地做出超轻材料，但受到模板尺寸、形状、精细结构以及后续模板去除的复杂工艺的限制，材料很难做大，更难以大量制备。

在研究过程中，一种弹性优良的多孔材料走进了高超的视野，这种材料由碳纳米管和石墨烯两个维度的纳米构筑单元复合而成。正是这个小发现，为高超带来了“无模板溶液冻干法”的全新思路，这种新方法将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干获得“碳海绵”。这种方法不需要模板，材料的大小和形状只取决于容器，生产的便捷也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能。

依照这一方法，高超团队成功制备出了超轻石墨烯海绵，其0.16 mg/cm3的密度甚至不及空气的1/6，一举刷新了固态材料密度的世界纪录。“0.16 mg/cm3是目前我们做出的最低密度，但这不会是固体材料的密度极限，”高超教授表示。

除去极小的密度和优异的弹性，“碳海绵”还是迄今报道过的吸油力最强的材料，其吸油量可达自身重量的900倍，还可重复利用，这样的吸油能力是现有产品的90倍以上。因此，“碳海绵”被认为是处理海上漏油事故的理想材料。

目前，高超和同事正对“碳海绵”的吸附性做进一步研究。“‘碳海绵’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。尽管性能喜人，但其产业化仍充满变数，这可能需要全社会的共同努力”。