超輕氣凝膠「碳海綿」比氦氣的密度還低，為什麼沒有像氦氣球一樣在空氣中上浮？

01-06

浙江大學高分子系高超教授的課題組製備出了一種超輕氣凝膠——它刷新了目前世界上最輕材料的記錄。在已報道的成果中，高超課題組製備的「碳海綿」仍是最輕紀錄保持者——可達到0.16毫克/立方厘米，低於氦氣的密度。

浙江大學：求是新聞網浙大實驗室誕生超輕氣凝膠
浙江大學：求是新聞網超輕氣凝膠——象氣球一樣會被順風吹走的材料

Nature 的報道：http://www.nature.com/nature/journal/v494/n7438/full/494404a.html

涉及的兩篇文章：浙大 Multifunctional, Ultra-Flyweight, Synergistically Assembled Carbon Aerogels

大連理工 Ultralight and Highly Compressible Graphene Aerogels

下不到原文的私信我郵箱。

以高超的文章為例：

For foams made from neat graphene, we achieved 0.16 mg cm?3 (Figure 1p, Figure S9 and Movie S2), the lowest density of ultralight materials ever reported. Lighter aerogels could be fabricated using larger graphene sheets (e.g., the ultimate aerogel is constructed with only one macroscopic graphene sheet).

實驗步驟裡面說：

The density was calculated by the weight of solid content without including the weight of entrapped air divided by the volume of aerogel (the density measured in vacuum is identical to that in air, Figure S29).

即此密度是真空中的密度，不包含吸附的空氣。Support Infomation 的圖29給出了在真空中和空氣中稱量的比較，結果是基本一樣的。（說明骨架材料占體積很小，文章數據是0.1%，各位可以用浮力考慮一下）

（其實，我覺得稱之為「在空氣中，只比空氣重10%」更好一點，但是我們做材料的總要找一種吸引眼球的說法嘛～

另，此說法不是這篇文章首創，做氣凝膠的都採用這樣的密度計算方法。）

Support Infomation中給出了密度的計算方法。

公式的意思是：假定骨架為單層石墨（由TEM證實），一個正方體格子的表面積乘以面積密度（公式裡面是表面積除以單位質量的表面積），除以體積，再除以材料中石墨的質量分數（我的理解是因為用了肼還原，材料不是純石墨，質量分數如何計算文章沒有給出）。格子越大，密度越低。

受到@Yifei評論的啟發，去查了查原始文獻。學校沒買AM的資料庫看不到浙大的文獻，查到2011年的前記錄保持者美國HRL實驗室研製的鎳基氣凝膠：Breakthrough material is barely more than air 。文中提到：

Its volume is 99.99 percent air, and its density is 0.9 milligram per cubic centimeter--not including the air in or between its tubes. That density is less than one-thousandth that of water.
氣凝膠的體積包含了99.99%的空氣，密度為0.9毫克/立方厘米（不包括氣凝膠微管間的氣體），低於水的密度的千分之一。

氣凝膠中99.99%的體積均為空氣，而碳海綿的密度0.16毫克/立方厘米又僅比空氣密度1.205毫克/立方厘米小了一個數量級，說明圖中充滿空氣的氣凝膠平均密度其實是非常接近於空氣的，在空氣中呈懸浮狀態，不足以產生足夠的升力持續上浮。

@朱寧提到把這個材料用于飛艇，如果用氫氣置換氣凝膠中的空氣，似乎和氫氣球區別不大，依然需要包裹一層密封層鎖住氫氣。如果把直接抽掉氣凝膠中的佔99.99%氣體再密封其表面，在大氣壓的壓力下氣凝膠的體積會縮得非常小，這樣所需的原料是非常巨量的。所以無論如何都不可行。實際上，這種材料只吸油不吸水的性能要有意義得多，這裡0.16和0.9毫克/立方厘米的密度差從應用來說區別不大，只是創造了一個新的世界紀錄罷了。

簡單答：氣凝膠是多孔結構的。。中間會充入空氣，就像海綿會吸水一樣。但是海綿不能當浮力材料吧。。同理。

所謂比空氣輕就像是說海綿（真空下的）比同體積的水輕一樣。

期待更專業的回復。

求摺疊，然後推薦@金晨羽的答案

第一，這個Advanced Materials已經發表了，肯定是真的，這點節操浙大應該還是有的。

第二，你可以看到圖片中沒有飄起來，這應該是因為太小了，因為在流體中漂浮靠的是上下壓力差，由於體積太小，空氣密度又低，所以上下面的壓力差不明顯（這麼小的體積，由於局部氣體情況的複雜性，下面還不見得比上面壓力大呢）。做大了應該可以飄起來吧，但是是封閉結構還是疏鬆多孔是個問題，疏鬆的話裡面空氣太多意義就不大了（就像@田英華說的）。但是要是疏鬆的話，這個密度是怎麼定義的？如果密度小於空氣的話，那麼實體物質一定是比空氣要輕的，所以應該還是指這種純物質的密度，也不知道是怎麼稱或者算出來的。

第三，如評論中，用這個做飛艇，飄上去之後怎麼下來？現在飛艇貌似有的是放氣的，那麼就要把這個扯下來扔了？還有的是靠壓縮氣體，那麼就得壓縮這東西，看起來好像比壓縮氣體難度還要小一點，還有說0海拔是浮力與自重相等，然後以動力提供額外升力，這樣的話，這種東西倒是非常合適

再幫lz來張圖，好帥的：

壓不彎狗尾巴草

感覺可以當浮力材料的，只需要像氦氣飛艇一樣，在外邊包裹蒙皮，裡邊填充碳海綿，注入適量的氫氣置換出多孔結構中的遊離空氣，應該浮空效果和安全性都能夠令人滿意，就是不知道目前能否大規模製備，也許經濟性才是門檻吧。

另外，做飛艇，完全可以做成混合結構的，完全不用擔心高度控制的問題，這個混合結構我打算註冊專利：）

質量：要麼是用真空的物理天平來稱了之後算出來的，要麼是用分子晶體學方法計算。

體積：沒法計算出來裡面孔洞的體積，，只能把他們都算成是這材料的體積了。

密度：綜上，質量是精確的，體積本質是誇大了的，這樣的除出來的密度結果比空氣輕是可能的。類似空殼鋼鐵（輪船？）密度比水小，但絕對不是鋼比水輕的意思。

你往比空氣重的東西裡面充再多空氣也不能比空氣輕（平均數一定大於最小數）。。。除非這個材料內部孔洞全密封而且是真空並且外部結構剛度足夠大能扛大氣壓力不變形。

空氣在20℃標準大氣壓的密度1.205mg/cm^3，等當量體積的話比空氣輕。

「可任意調節形狀，彈性也很好，被壓縮80%後仍可恢復原狀。它對有機溶劑有超快、超高的吸附力，是已被報道的吸油力最強的材料。現有吸油產品一般只能吸自身質量10倍左右的液體，而「碳海綿」能吸收250倍左右，最高可達900倍，而且只吸油不吸水。」這一特性可用來處理海上原油泄漏事件――把「碳海綿」撒在海面上，就能把漏油迅速吸進來，因為有彈性，吸進的油又擠出來回收，碳海綿也可以重新使用。

另外，「碳海綿」還可能成為理想的儲能保溫材料、催化劑載體及高效複合材料，有廣闊前景。

引用：浙江大學：求是新聞網

再po張圖

那個所謂的密度應該不是材料的真實密度，而是整個結構的質量除以它的體積。顯然這個結構的體積比材料本身的體積大好多倍。

它這個體積有不同的演算法，如果在空氣中算體積就要減去空洞的體積，不用算也知道只剩下碳的體積了。

猜測一下吧

根據@慕楚的答案，那麼照片中的碳海綿可能已經吸了一點油在裡面