Аерографіт у 75 разів легший за пінопласт

17.07.2012 - світовий рекорд - найлегший матеріал у світі надходить з півночі Німеччини.

Він чорний як смола, стійкий, електропровідний, пластичний і непрозорий - завдяки своїм унікальним властивостям і низькій щільності вуглецевий матеріал «аерографіт» перевершує всіх конкурентів. «Наш розвиток викликає жваві дискусії в наукових колах. Аерографіт більш ніж у чотири рази легший за попереднього рекордсмена світу », - каже щасливий Матіас Мекленбург з Технічного університету Гамбург-Гарбург (TUHH). Нікелевий матеріал, представлений півроку тому, також складався з крихітної системи трубок. Однак з самого початку нікель має вищу атомну вагу. "Ми також можемо виготовляти трубки, які складаються з пористих стінок і тому надзвичайно легкі", - додає Арнім Шухардт з Університету Крістіана Альбрехтса в Кіль (CAU). Кельські аналітики Лоренц Кіенле та Андрій Лотник змогли розшифрувати атомну структуру матеріалу за допомогою просвічувальної електронної мікроскопії.

легший

Рис.: Тетраподи оксиду цинку становлять ідеальну основу для аерографіту. (Зображення: TUHH)

Незважаючи на низьку щільність 0,2 міліграма на кубічний сантиметр, аерографіт дуже еластичний. Хоча легкі матеріали, як правило, витримують тиск, але не розтягування, аерографіт характеризується чудовою стійкістю під тиском і розтягуючими навантаженнями. Він може бути стиснутий до 95 відсотків і повернути його у початкову форму, каже професор Кіля Райнер Аделунг: "Аерографіт до певної міри навіть твердіший і, отже, міцніший, ніж раніше". такі навантаження стають дедалі слабшими та нестійкішими. «Матеріал також майже повністю поглинає промені світла. Можна сказати, з нього виходить найчорніший чорний », - додає професор Карл Шульте з Гамбурга.

Рис.: Під час процесу створення жертвенний шаблон, кристалічний оксид цинку (тут яскраво-білий), розкладається воднем. Водяна пара та цинк виходять. Пробірки аерографіту залишаються. (Зображення: TUHH)

"Ви можете мислити аерографіт як швидко зростаючу мережу плюща, яка звивається навколо дерева, видаляючи саме дерево", - говорить Аделунг, пояснюючи виробничий процес. Дерево - це так званий «жертовний шаблон», тобто засіб досягнення мети. Команда CAU використовувала для свого виробництва порошкоподібний оксид цинку і перетворювала його в кристалічну форму, нагріваючи в духовці при 900 градусах Цельсія.

При подальшій обробці вчені з матеріалу «Кіль» виробляють своєрідну таблетку. У ньому готовий оксид цинку утворює мікро- і наноструктури - тетраподи, які проникають одна в одну і таким чином міцно з’єднують окремі частинки, утворюючи пористу таблетку. Тетраподи - це мережа, на основі якої створюється аерографіт.

Рис.: В отриманому аерографіті, найлегшому матеріалі у світі, відкриті вуглецеві трубки утворюють дрібну мережу і, таким чином, забезпечують низьку щільність до 0,2 міліграма на кубічний сантиметр. (Зображення: TUHH)

На наступному етапі гранульований матеріал поміщають у реактор при 760 градусах Цельсія для хімічного осадження парів в TUHH. «У газовій фазі, що збагачується вуглецем, що протікає, оксид цинку укладений у графітовий шар товщиною лише в кілька атомних шарів, створюючи врослу мережеву структуру аерографіту. Водень, що подається одночасно, реагує з киснем в оксиді цинку. Водяна пара та цинк витікають як газ ”, - говорить Шульте. Залишається типово зшита та трубчаста структура вуглецю. Молодий вчений TUHH Мекленбург: «Чим швидше ми витягуємо цинк у процесі, тим більше дірочок стінок труб і світлішим стає матеріал. Є ще багато вільної можливості ". А його колега Шухардт з Кіль додає:" Приємно те, що ми можемо конкретно впливати на властивості аерографіту: ми постійно координуємо форму шаблону тут, у Кільі, та процес осадження в Гамбурзі ".

Рис.: Advanced Materials Vol. 24, Iss. 26 (Wiley-VCH)

Завдяки особливим властивостям матеріалу аерографіту його можна ідеально адаптувати, наприклад, у літій-іонних батареях. Це означає, що потрібно використовувати лише мінімальну кількість електроліту акумулятора, що повинно призвести до важливого зменшення ваги батарей. Ці менші акумулятори можна використовувати в електромобілях або на електровелосипедах. Таким чином, матеріал сприяє, серед іншого, розвитку екологічно чистих транспортних засобів. Іншим застосуванням було б зробити непровідні пластики електропровідними без істотного збільшення ваги. Таким чином можна уникнути статичних зарядів, звичних із повсякденного життя. Матеріал також обіцяє великий потенціал для очищення води. Як сорбент для стійких забруднювачів води, він може електрохімічно окислюватися, тобто розкладатися і, таким чином, розкладати їх.

Додаткова інформація

  • Оригінальна публікація
    М. Мекленбург та ін.: Аерографіт: надлегкий, гнучкий наностін, вуглецевий мікротрубочний матеріал з видатними механічними характеристиками, Adv. Mater. 24, 3486-3490 (2012); DOI: 10.1002/adma.201200491
  • Синтез та реальна структура (Л. Кіенле), Інститут матеріалознавства, КАУ Кіль
  • Аерографіт: Синтез мережевих графітових структур 3D (TUHH)

Аерографіт можна стиснути до 95 відсотків, а потім знову розірвати. На відміну від інших матеріалів, це навіть робить його все більш і більш жорстким (діаметр дев'ять міліметрів):

Дуже малі маси аерографіту дозволяють дуже швидко змінювати напрямок руху. Спочатку він встає, потім стрибає на пластиковий стрижень і знову на стіл: так аерографіт піднімає заряд зі стрижня і передає його на стіл.