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纳米 世界十大超硬材料( 五 )

纳米 钻石


美国国家宇航局研制出的一种新型气凝胶 ， 由于密度只有每立方厘米3毫克 ， 日前已经作为“世界上密度最低的固体”正式入选《吉尼斯世界纪录》 。
这种气凝胶呈半透明淡蓝色 ， 重量极轻 ， 因此人们也把它称为“固态烟” 。 新型气凝胶是由美国国家宇航局下属的“喷气推进实验室”材料科学家史蒂芬·琼斯博士研制的 。 它的主要成分和玻璃一样也是二氧化硅 ， 但因为它99.8%都是空气 ， 因此 ， 密度只有玻璃的千分之一 。
气凝胶在航天中的应用远不止这些 ， 美国国家宇航局的“星尘”号飞船正带着它在太空中执行一项十分重要的使命———收集彗星微粒 。 科学家认为 ， 彗星微粒中包含着太阳系中最原始、最古老的物质 ， 研究它可以帮助人类更清楚地了解太阳和行星的历史 。 2006年 ， “星尘”号飞船带着人类获得的第一批彗星星尘样品返回地球 。
气凝胶的基本制备原理就是除去凝胶中的溶剂 ， 让其保留完整的骨架 。 在之前制备气凝胶的案例中 ， 科学家主要采用溶胶—凝胶法和模板导向法 。 前者可以批量合成 ， 但是可控性差；后者能产生有序的结构 ， 但依赖于模板的精细结构和尺寸 ， 难以大量制备 。
后来课题组另辟蹊径 ， 探索出无模板冷冻干燥法：将溶解了石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冻干 ， 便获得了“碳海绵” ， 并且可以任意调节形状 ， 令生产过程更加便捷 ， 也使这种超轻材料的大规模制造和应用成为可能 。

据专家介绍 ， “碳海绵”具备高弹性 ， 被压缩80%后仍可恢复原状 。 它对有机溶剂具有超快、超高的吸附力 ， 是迄今已报道的吸油力最高的材料 。 现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体 ， 而“碳海绵”的吸收量是250倍左右 ， 最高可达900倍 ， 而且只吸油不吸水 。 科研人员声称 ， “碳海绵”还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 。
七、纳米线（比钢坚硬15倍）纳米线是一种一维材料 ， 在横向上被限制在100纳米以下 ， 纵横比在1000以上 。 碳纳米管就是纳米线大家族中的明星材料 。 根据组成材料的不同 ， 纳米线可分为不同的类型 ， 包括金属纳米线 ， 半导体纳米线和绝缘体纳米线 。 通常情况下 ， 随着尺寸的减小 ， 纳米线会体现出比大块材料更好的机械性能 ， 强度变强 ， 韧度变好 。 在电子、光电子和纳电子机械器械中 ， 纳米线有可能起到很重要的作用 。 它同时还可以作为合成物中的添加物、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器 。 纳米线能够将太阳光自然聚集到晶体中一个非常小的区域 ， 聚光能力是普通光照强度的15倍 。 研究人员表示 ， 这种垂直分支结构可以为化学反应提供比平面结构高40万倍的表面积 。研究人员还有更为远大的目标 ， 他们盯在了人工光合作用 。 在自然界的光合作用中 ， 植物不仅吸收阳光 ， 还吸收二氧化碳和水 ， 产生碳水化合物供其自身生长 。 研究人员希望有一天能够模仿这一过程 ， 利用纳米“森林”来吸收大气中的二氧化碳 。 值得一提的是 ， 2013年英国科学家研制出一种玻璃（二氧化硅）纳米纤维 ， 比头发细千倍却比钢坚硬15倍 ， 堪称世界上最高强度、最轻的“纳米线” 。 从历史上看 ， 碳纳米管是最强的物质 ， 但其高强度只能在仅几微米长的样品中测量到 ， 实用价值不大 。 相比之下 ， 二氧化硅纳米线比高强度钢硬15倍 ， 比传统的强化玻璃钢强10倍 。 人们可以减少材料使用量 ， 从而减轻物体的重量 。 生产纳米线的硅和氧在地壳层是最常见的可持续和廉价利用的元素 。 此外 ， 可以生产吨级二氧化硅纳米纤维 ， 用于光学纤维电力网络 。 特别具有挑战性的是如何处理如此之小的纤维 ， 它们比人的头发细近千倍 。 事实上 ， 当它们变得非常非常小时 ， 其行为便出现完全不同的方式 ， 不再像玻璃那样易碎和破裂 ， 而是如塑料般柔软 ， 这意味着它们具有可以被抻拉的韧性 。 该研究结果可用来改造航空、航海和安全等行业 。 科学家还研发出一种微电池 ， 这种电池里有着垂直排列的镍—锡纳米线 ， 这些纳米线外面均匀地包裹着一种叫做PMMA的多聚体材料 ， 也就是人们俗称的有机玻璃 。 PMMA的主要作用是绝缘 ， 当电流通过时 ， 它能保护里面的纳米线不受反电极的影响 。 这种电池比普通的锂电池充电时间更短 ， 其他性能也更为出色 。
八、氮化硼（立方氮化硼比金刚石还硬）氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体 。 化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮 ， 具有四种不同的变体：六方氮化硼（HBN）、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纤锌矿氮化硼（WBN） 。 立方氮化硼比金刚石还硬一些 ， 其他种类氮化硼硬度稍弱于金刚石 。 氮化硼具有耐高温、耐腐蚀、导热性好、热膨胀系数低、抗热震性好、化学稳定性好、良好的润滑性 ， 以及优良的电学性能 ， 在电子、冶金、化工、宇航等尖端技术中具有极为广泛的用途 。 氮化硼具有多种优良性能：比如广泛应用于高压高频电及等离子弧的绝缘体、自动焊接耐高温架的涂层、高频感应电炉的材料、半导体的固相掺和料、原子反应堆的结构材料、防止中子辐射的包装材料、雷达的传递窗、雷达天线的介质和火箭发动机的组成物等 。 由于具有优良的润滑性能 ， 用作高温润滑剂和多种模型的脱模剂 。 模压的氮化硼可制造耐高温坩埚和其他制品 。 可作超硬材料 ， 适用于地质勘探、石油钻探的钻头和高速切削工具 。 也可用作金属加工研磨材料 ， 具有加工表面温度低、部件表面缺陷少的特点 。 氮化硼还可用作各种材料的添加剂 。 由氮化硼加工制成的氮化硼纤维 ， 为中模数高功能纤维 ， 是一种无机合成工程材料 ， 可广泛使用于化学工业、纺织工业、宇航技术和其他尖端工业部门 。 氮化硼纤维用途：由于氮化硼热稳定性和耐磨性好以及化学稳定性强 ， 可用作温度传感器套 ， 火箭、燃烧室内衬和等离子体喷射炉材料；用作陶瓷基复合材料的增强剂、导弹和飞行器的天线窗部件、电绝缘器、防护服、重返大气层的降落伞以及火箭喷管鼻锥等材料；用于高温润滑剂、脱模剂、高频绝缘材料和半导体的固相掺杂材料等 。 由于氮化硼热稳定性和耐磨性好以及化学稳定性强 ， 可用作温度传感器套 ， 制造高温物件 ， 如火箭、燃烧室内衬和等离子体喷射炉材料 。 可作高温润滑剂、脱模剂、高频绝缘材料和半导体的固相掺杂材料等 。 六方氮化硼转化立方体 ， 粉状可转化纤维状 ， 使其用途更加广泛 ， 可用作超硬材料 ， 用于电绝缘器、天线窗、防护服、重返大气层的降落伞以及火箭喷管鼻锥等 。九、金刚砂（碳化硅硬度仅次于金刚石、碳化硼和立方氮化硼）碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时 ， 在实验室偶然发现的一种碳化物 ， 当时误认为是金刚石的混合体 ， 故取名金刚砂 。 碳化硅的硬度很大 ， 莫氏硬度为9.5级 ， 稍稍低于金刚石（10级） ， 具有优良的导热性能 ， 是一种半导体 ， 高温时能抗氧化 。

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