斯坦福大学和加州大学伯克利分校合作研究在太空生产优质石墨烯气凝胶

石墨烯气凝胶是一种卓越的轻质材料，既隔热又导电。这使得它在各种应用中都具有吸引力——从改进电池的能量存储到更好的漏油清理方法，再到下一代太空服。来自斯坦福大学和加州大学伯克利分校的一组研究人员正在利用国际空间站（ISS）国家实验室生产比地球上更高质量的石墨烯气凝胶。

美国宇航局宇航员伍迪·霍伯格在斯坦福大学进行一项实验，旨在在太空中合成石墨烯气凝胶。图片来源：美国宇航局

本周，空间站上的 Crew-6 宇航员完成了团队的调查工作，该调查由美国国家科学基金会 (NSF) 资助。结果可以为石墨烯气凝胶合成的基础物理提供新的见解，并促进新型材料产品的开发。

“通过空间站的微重力环境，我们可以开启一个我们从未接触过的全新材料科学领域，”斯坦福大学研究工程师杰西卡·弗里克说。

Frick 是斯坦福大学极端环境微系统实验室 (XLab) 的成员。XLab 由斯坦福大学航空航天副教授黛比·塞内斯基 (Debbie Senesky) 构想，专注于制造可以在太空等极端环境中工作的微型但坚固的电子产品。为了对空间站进行调查，弗里克和塞内斯基正在与加州大学伯克利分校化学和生物分子工程学教授罗亚·马布迪安领导的一个研究小组合作。该团队的目标是更好地了解石墨烯气凝胶的性质以及微重力如何影响其性能。

这项研究将在诺斯罗普·格鲁曼公司的第 19次 商业补给服务任务 (NG-19)中启动，在微重力下执行石墨烯气凝胶合成的第一步。结果可能对未来的太空制造以及深空任务产生影响。

生产石墨烯气凝胶是一个两步过程。第一步很像制作果冻。研究小组将氧化石墨烯薄片混合在水溶液中，就像将明胶粉和热水混合制成果冻一样。随后将氧化石墨烯溶液样品发送至空间站。本周早些时候，工作人员将样品装入熔炉中，将溶液加热以形成石墨烯水凝胶。这个过程需要几个小时，一旦水凝胶形成，宇航员将准备返回地球的样本。

当样品返回实验室后，研究小组将进行该过程的第二步，其中包括去除液体并仅留下石墨烯气凝胶形式的空气。然后，研究小组将检查气凝胶的特性，并将他们的发现与陆地生产的石墨烯气凝胶进行比较。

弗里克说，这个过程的第一步是最关键的。在地球上，重力会将石墨烯薄片不均匀地拉下来，从而在水凝胶中产生裂缝。这可能会影响所生产的气凝胶的质量，使其导电性降低或吸收率降低。

“我们期望从太空生产的石墨烯水凝胶中看到的是我们在地球上看到的沉积效应的减弱，”塞内斯基说。由水凝胶生产的石墨烯气凝胶的尺寸只有几毫米，但如果团队能够证明该气凝胶的质量比陆地同类产品更高，则可以扩大生产规模以制造更大的石墨烯气凝胶。

Senesky 表示，气凝胶具有许多卓越的品质，使其成为多种应用的理想材料。它们的孔隙非常多，这使得它们非常适合过滤。例如，美国宇航局在该机构的星尘任务中使用了二氧化硅气凝胶来捕获彗星上的细尘颗粒。二氧化硅气凝胶还被用作美国宇航局火星探测器和地球上外套的隔热材料。

由于石墨烯还具有导电性，研究人员希望石墨烯气凝胶可用于电池和超级电容器的储能。此外，石墨烯气凝胶是一种很有前途的隔热体，可用于隔热技术或嵌入航空航天应用的织物中。它还可以用作化学传感器，甚至帮助吸收某些化学成分，这可能有利于溢油清理等应用。

“石墨烯气凝胶像海绵一样具有吸水性，”马布迪安说。“这意味着它可以用来吸收比自身重量多得多的材料，这使得它可以用作清理化学泄漏和检测环境中有害化学物质的工具。”

NG-19 任务于美国东部时间 8 月 1 日晚上 8:31 从瓦洛普斯飞行设施发射，包括 20 多个国际空间站国家实验室赞助的有效载荷。要了解有关国际空间站国家实验室赞助的有关该任务的所有研究的更多信息，请访问我们的发布页面。