MIT/LLNL開發出輕如氣凝膠 強度卻達10000倍的新型材料

2020-11-30 cnBeta

試想一下，如果有一種材料，其強度堅固到足以用於打造飛機或汽車，但重量卻輕如空氣，是不是有一種很科幻的感覺？但過不了多久，這種事情可能就會成真了！因為來自美國麻省理工學院和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的一支研究團隊，已經打造出了新型的超輕量級材料——它輕如氣凝膠、但是強度卻要比它牆上10000倍！也許未來某一天，航天和汽車設計都會發生徹底的改變。

勞倫斯·利弗摩爾(Lawrence Livermore)工程師「Yayne」(Zheng Xiaoyu)在觀看組成超輕量、超堅硬材料的晶體單元的微縮模型。

LLNL研究團隊及其微結構樣例。

「氣凝膠」(Aerogel)，又稱「冷凍煙霧」(frozen smoke)。

氣凝膠有著令人難以置信的重量，目前的最輕記錄保持者為每平方釐米只有0.16毫克的「aerographene」。除了保溫、球拍和控制漏油等領域，美國宇航局還將之用於隔絕收集自彗星尾巴的「星塵任務」(Stardust mission)樣本。

由MIT/LNLL團隊開發出的新材料，其實並不是氣凝膠，而是「超級材料」(metamaterials)。雖然它是人造的，但卻可以在自然界中找尋到它的足跡。

研究人員的想法是，打造出具有氣凝膠般「輕量級」的重量，但是強度卻要給力得多。因此，新材料的強度，其實來自於自身的幾何結構，而不是化學材料本身。

至於新材料的製備，則是通過「微立體光刻投影」(projection micro-stereolithography)技術來實現的——這是桌面式3D列印的一種，但是作用於微觀層面，以便於人們快速創建高度複雜的三維微結構層原型。

儘管微粒體投影光刻的規模很小(microlattices)，但其過程很像是製作桁架和大梁。而在這個過程中，所使用的材料竟然還可以進行切換。研究團隊稱，他們可以使用許多不同的材料，包括聚合物、金屬和陶瓷等。

起初，LLNL/MIT團隊製作出了200至500納米厚的金屬膜層，然後熔掉聚合物基體模板，最後剩下的就是金屬薄膜管的形態了。

隨後，該團隊還用同樣的方法，拿陶瓷來替代金屬，並製作出了約50納米厚的陶瓷管結構。這種材料的密度與之傳統氣凝膠相似，但強度卻要高出後者4個數量級。

再接下來，這支團隊還打造了「陶瓷-聚合物」混合體(在聚合物中嵌入納米陶瓷顆粒)。不過過程略有些不同，即通過加熱來出去聚合物，從而使陶瓷顆粒成為緻密的固體。

LLNL工程師「Rayne」(Zheng Xiaoyu)稱：「這些輕質材料至少可以承受自身160000倍的負荷」。

在不遠的將來，該裁量有望應用到飛機零部件、汽車和航天領域，而且最終強度可能會比實驗室版本再強上100倍。

相關研究結果已經發表在《科學》(Science)期刊上。

[編譯自：Gizmag , 來源：LNLL]

相關焦點

  • 逆天新型氣凝膠問世!「世界上最輕的材料」紀錄
    2013年，「世界上最輕的材料」這一紀錄被我國科學家打破後，2015年，我國再次刷新紀錄，製造出0.12毫克每立方釐米的最輕材料。凝固的煙這種世界上最輕的材料叫氣凝膠。氣凝膠其實並不是最近才有，早在1931年，人們就用二氧化矽製造出了它。氣凝膠的內部有很多孔隙，孔隙裡面充滿空氣，所以非常輕。
  • 最輕的材料——氣凝膠
    這種新材料密度僅為3.55千克每立方米，僅為空氣密度的2.75倍；乾燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。這種物質看上去像凝固的煙，但它的成分與玻璃相似。目前，最輕的氣凝膠是一種&34;，密度僅有0.16mg/cm3（去除空氣密度），僅為空氣密度的1/6。把這種材料放在花朵上，柔軟的花蕊幾乎沒有變形。氣凝膠相比於普通多孔材料有一個重要的特點：其骨架在納米尺度。
  • 神奇的超輕超彈多孔氣凝膠材料——三維石墨烯
    有趣的是，英文字面翻譯的意思是可以飛行的凝膠。這反映出其超輕（密度小）的特點，我們也可稱之為超輕材料。常見的氣凝膠為美國科學家Steven S. Kistler在1931年發明出來的矽氣凝膠，主要成分是二氧化矽。其密度僅為3mg/cm3，這比泡沫塑料還要輕100倍。由於氣凝膠中一般80%以上體積是空氣填充，因而具有非常好的隔熱效果。僅僅一寸厚的氣凝膠就可達到20至30塊普通玻璃的隔熱效果。
  • 氣凝膠讓我們告別「棉衣」---刷新了世界上最輕材料的紀錄
    它就是氣凝膠，又稱為幹凝膠，在吉尼斯紀錄中，它是「世界上最輕的固體」。隨著技術的不斷進步，氣凝膠離我們的生活也是越來越近。　   目前浙江大學高分子課題組製備出了一種超輕氣凝膠。它刷新了世界上最輕材料的紀錄，擁有高彈性和強吸油能力。這種被稱為「全碳氣凝膠」的固態材料密度為每立方釐米0.16毫克，僅是空氣密度的1/6。　   由於氣凝膠中一般80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當20至30塊普通玻璃的隔熱功能。
  • 神奇的保溫材料——氣凝膠
    下面我將為大家介紹一種新型的保溫材料——氣凝膠，這種材料的應用有望解決我們的煩惱。氣凝膠作為一種納米多孔結構材料的固體新材料，具有超輕、隔熱、透明、保溫、防火等優異特性。很早是在1931年，由S.Kistler採用超臨界乾燥方法成功製備出SiO2氣凝膠。由於氣凝膠中一般80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當20~30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間，玫瑰也會絲毫無損。氣凝膠在航天探測上也有多種用途，在俄羅斯「和平」號空間站和美國「火星探路者」的探測器上都有用到這種材料。
  • 神奇的固體材料——氣凝膠
    有一種材料，雖然是固體，卻無比輕盈，看起來好像一股嫋嫋的藍煙，如夢似幻，這就是目前世界上最輕的固體材料——氣凝膠。在不破壞空間網狀結構的前提下，將這些液體抽離，任氣體充盈在結構周圍，便形成了氣凝膠。        氣凝膠能做什麼？        氣凝膠有很多種，如氧化物氣凝膠、有機炭氣凝膠、碳化物氣凝膠、金屬氣凝膠、多組分氣凝膠等。
  • 氣凝膠納米材料價格
    【陶戈納米】為中國絕熱節能材料協會氣凝膠分會理事單位。被能源部定為重點推廣企業。由於氣凝膠中一般80以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當20至30塊普通玻璃的隔熱功能。因為密度極低，目前輕的氣凝膠僅有0.16毫克每立方釐米，比空氣密度略低，所以也被叫做「凍結的煙」或「藍煙」。
  • 世界上最輕的固體——氣凝膠
    這不是煙，而是一種固體，確切地說是世界上最輕的固體——氣凝膠。氣凝膠是什麼？首先我們來認識下「凝膠」。一定濃度的高分子溶液或溶膠，在適當條件下，粘度逐漸增大，最後失去流動性，整個體系變成一種外觀均勻，並保持一定形態的彈性半固體，這種彈性半固體稱為凝膠。果凍是最早被科學家們認識的一種凝膠，這種凝膠是被水或其他液體充滿後形成的。
  • 石墨烯氣凝膠獲得*輕材料金氏世界紀錄
    該材料密度只有0.5毫克每立方釐米，各項性能非常優秀，可廣泛應用於柔性驅動器、柔性機器人、傳感器、可變形電極材料、藥物傳輸和投放、超輕隔熱保溫及防護材料等。     氣凝膠是一種用途廣泛的物質，是世界上密度最小的固體，密度僅為3千克每立方米。這種海綿狀的物體也是絕佳的熱與光學絕緣體，據了解，近年來利用3D印表機就可以製造出這種凝膠。
  • 新型氣凝膠材料可用於隔熱防火
    目前市場上使用的有機無機複合隔熱材料雖然阻燃性有所提高，但仍難耐受長時間的火焰侵蝕，因為單分散狀態的無機組分會隨著聚合物基體的燃燒而逐漸脫落，從而失去保護作用。 科研人員研製了一種雙網絡結構的複合氣凝膠，具有樹枝狀的微觀多孔結構，纖維的尺寸在20 納米以內，且兩種組分各自都成連續的網絡，實現了有機、無機組分在納米尺度上的均勻分散。
  • 柔性氣凝膠:從「太空傘」到服裝保暖,從軍用到民用
    1999年，美國國家航空航天局（NASA）研製出了密度為 3 mg/cm3的二氧化矽氣凝膠，成為當時世界上最輕的固體材料。但是，由於矽氣凝膠材料脆性、溼度敏感等特性限制了其使用，NASA多年來一直在支持開展耐久性氣凝膠的相關研究工作。
  • 復旦等製備出新型碳納米管/石墨烯氣凝膠!
    導讀：本文通過一種簡便的原位水熱法和冷凍乾燥方法，開發製備出一種新型的碳納米管/還原型氧化石墨烯氣凝膠吸波材料。該氣凝膠具有極低的密度，並在18–26.5 GHz頻率範圍內實現了極強的介電損耗能力。此外，這些吸波劑中含有金屬（如羰基鐵，FeCo系合金等），因此這將導致吸波材料密度太大。面對這個困難，研究者們對多孔碳基輕質吸波材料的研究興趣在不斷增長，例如三維支架狀的碳氣凝膠近年來受到越來越多的關注。儘管在這方面已經取得了很多成果，但是由於金屬氧化物或金屬等的高密度，製備的多組分氣凝膠的密度降低得不夠，同時，吸收劑的填充率仍大於20 wt％。
  • 2020年《自然/科學》氣凝膠回顧展:世界上最輕的固體材料
    凝膠中的膠體顆粒相互結合，但是這些顆粒並不像石榴籽那樣緊密地挨在一起，而是連結成了空間網狀結構。這樣的空間網狀結構存在大量的孔洞，而孔洞中又充斥著液體。在不破壞空間網狀結構的前提下，將這些液體抽離，任氣體充盈在結構周圍，便形成了氣凝膠。氣凝膠有什麼用？氣凝膠有很多種，如氧化物氣凝膠、有機炭氣凝膠、碳化物氣凝膠、金屬氣凝膠、多組分氣凝膠等。
  • 東華大學研發出高導電、高彈性TiO2納米纖維氣凝膠
    TiO2作為一種重要的原料，已被廣泛應用於與人類生活息息相關的行業，如塗料、防曬霜、食品添加劑等。2019年全球市場規模達166.4億美元，未來五年的複合增長率預期高達7.6%。然而，這些TiO2材料在宏觀上主要以粉末的形式存在，易通過呼吸系統進入人體，從而引發健康風險。
  • 效應:Aerogels(氣凝膠)
    矽氣凝膠的折射率接近l，而且對紅外和可見光的湮滅係數之比達100以上，能有效地透過太陽光，並阻止環境溫度的紅外熱輻射，成為一種理想的透明隔熱材料，在太陽能利用和建築物節能方面已經得到應用。通過摻雜的手段，可進一步降低矽氣凝膠的輻射熱傳導，常溫常壓下摻碳氣凝膠的熱導率可低達0．013w/m·K，是熱導率最低的固態材料，可望替代聚氨脂泡沫成為新型冰箱隔熱材料。
  • 探秘一種神奇的材料氣凝膠:世界上最輕最保暖的絕熱材料
    什麼是氣凝膠?氣凝膠(aerogel)是一種內部網絡結構充滿氣體,外表呈現固體狀密度極低的多孔材料,1931 年由美國 Kistler.S.發明,因輕若薄霧藍色泛藍,又被稱為「藍煙」 、「凍結的煙」,是目前 最輕的固體材料。它的網絡結構一般是由相互交聯的納米顆粒所組成,其中顆粒內部的孔隙主 要是微孔,顆粒與顆粒之間則大多是 2 nm 上的中孔或大孔。
  • 強度是鋼100倍的材料被我國率先突破,軍事應用潛力巨大
    厚度僅為頭髮絲的20萬分之一，是世界上已知的最薄、最輕、最強的材料，被稱為「新材料之王」。它，就是石墨烯。石墨烯具有優異的力學性能——已知材料中強度和硬度最高，其抗拉強度和彈性模量分別為130Gpa和1.1TPa，理想狀態下約為普通鋼的100倍。
  • 超級絕緣體氣凝膠：3D列印世界上最輕的材料
    氣凝膠是一種介孔溶膠-凝膠材料，是世界上密度最小的固體，具有高比表面積（500–1,000 m2g-1）和低密度（0.001–0.200 g cm-3）等特點。氣凝膠是由空氣或自由空間與陶瓷，金屬，顆粒，粉末或碳固體介質組成，其中空氣或自由空間的比例> 99％。因此，氣凝膠可以非常輕。除此之外，由於其導熱率低至12 mW m-1K-1，所以又被稱作超級絕緣體。
  • 超級絕緣體氣凝膠:3D列印世界上最輕的材料!
    氣凝膠是一種介孔溶膠-凝膠材料，是世界上密度最小的固體，具有高比表面積（500–1,000 m2g-1）和低密度（0.001–0.200 g cm-3）等特點。氣凝膠是由空氣或自由空間與陶瓷，金屬，顆粒，粉末或碳固體介質組成，其中空氣或自由空間的比例> 99％。因此，氣凝膠可以非常輕。
  • 柔性氣凝膠在服裝中應用,薄薄一層卻比羽絨還保暖?
    氣凝膠的歷史可追溯到1931年，美國加州太平洋大學首次通過乙醇超臨界乾燥製備出二氧化矽氣凝膠。矽氣凝膠1999年，Aspen Systems公司開發出纖維複合的氣凝膠超級絕熱材料，並於2001年成立了Aspen Aerogel公司進行氣凝膠材料的商業化運營，開啟了氣凝膠作為超級絕熱材料產業化熱潮。這種纖維氣凝膠複合材料迅速在航空航天領域低溫燃料箱和管道等上應用，並推廣至建築、電器、製冷設備等民用領域。