【小学作文花瓣型的房子】可以放在花瓣上的房子——碳凝胶大厦

生活中，建筑师把1瓦砖建成宏伟的大厦或舒适的住宅。在材料科学领域，科学家们也变身为建筑师。但是不同的是，正在制作新材料——气凝胶。

气凝胶和实际的房子一样，里面有很多小房间，各个房间之间有走廊通道相通，所以可以把气凝胶想象成建筑物。(大卫亚设，Northern Exposure(美国电视新闻))当然，气凝胶大厦和实际住宅有很多不同。第一个是尺寸，气凝胶大厦的“房间”比实际房间小得多，其大小是纳米级的。其次是建筑材料，气凝胶大厦不是生活中的砖、水泥等建筑材料，而是纳米大小的“砖”的叠加。纳米砖制成的气凝胶大厦是内部90%以上充满空气的空房间，所以气凝胶大厦非常空(高空率)，非常轻(低密度)。

纳米砖太大，可以建“豆腐渣工程”

气凝胶表现出低密度、高孔隙率、高比表面积和独特的机械、热/电等性能，在航空航天、国防等技术领域及建筑、工业管道保温等民用领域具有非常广阔的应用前景。

到目前为止，科学家们成功地建造了多种纳米砖，建造了多种气凝胶大厦，但这些纳米砖的大小都在100纳米以下，甚至几纳米以下。因为气凝胶的制造与房子的建造过程不同。对于气凝胶来说，如果结构单位的大小大于100nm，气凝胶的制备挑战就很大。这主要是因为两个原因。一个是气凝胶结构单位的大小越大，比表面积越小(如图1c所示的反比关系)。因此，如果使用子美光科技大小的砖头制作气凝胶，将失去高表面积的特性。第二，无论纳米级结构单元之间的连接是物理作用还是化学键，随着结构单元大小的增大，连接处原子占原子总数的比例急剧减少，结构单元之间的结合力减弱(图1a-b)。

因此，使用亚美光科技大小的砖建造气凝胶大厦时，砖之间的结合不牢固，成为易碎的豆腐渣工程。

新型全碳气凝胶——石墨烯交联碳空心球

针对这些挑战，由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张学东领导的气凝胶团队与英国伦敦大学教授宋文辉和中国科技大学教授一起，使用平均直径达220nm的导电高分子(聚苯胺聚吡咯共聚物)中空球作为气凝胶的建筑砖，用氧化石墨烯牢牢粘合在一起。接着，通过溶胶-凝胶工艺、超临界流体萃取工艺、高温热处理工艺等关键步骤(见图1)，成功获得了一种新型全碳凝胶，即石墨烯交联碳中空共凝胶(见图2)。

交联剂石墨烯的存在巧妙地将球与球之间的点对点接触转换为点对面接触(见图1)，从而提高最终气凝胶的力学性能。空心球结构的使用和在亚美光科技空心球壳中制作的许多微孔保证了得到的最终气凝胶具有较大的比表面积。前驱体导电高分子的选择混合了全碳气凝胶中的氮。

图1。(一)颗粒“点-点”装配图(二)颗粒和石墨烯“点-面”装配图；(c)颗粒大小与比表面积之间的关系；(d)气凝胶合成示意图

研究得到的石墨烯交联碳空心球气凝胶具有低密度((51-67mg/cm3)、高导电性(263-695S/m)、高比表面积(569-609m2/g)、高杨氏模量(1今后，这种热电化学池将应用于智能住宅，利用室内外温差为住宅供电。另外，还可以将这种碳凝胶应用于空气过滤装置，吸附空气中的甲醛等有害气体。与此同时，这种碳凝胶也适用于水污染管理，可以从高比表面积上吸附水体污染物，净化水体。

图2 (b)气凝胶的扫描电镜照片；(c)气凝胶的透射电镜照片；(d)气凝胶中氮的吸收和解吸曲线

这项工作为将大颗粒组装成气凝胶提供了良好的设计思路，并解决了亚美光科技结构单位制备功能气凝胶的技术问题。相关结果发表在NANOENERGY(《纳米能源》)(2017、39和470-477)上。