Aerogelul cu grafen este cel mai ușor material din lume. Aerogel cu grafen: cel mai ușor material din lume

Dacă urmăriți cele mai recente știri din lume tehnologii moderne, Asta acest material nu va fi o veste mare pentru tine. Cu toate acestea, luați în considerare mai în detaliu cel mai mult material ușorîn lume și a învăța puțin mai multe detalii este util.

Cu mai puțin de un an în urmă, titlul de cel mai ușor material din lume a fost acordat unui material numit aerografit. Dar acest material nu a reușit să țină palma mult timp a fost preluat recent de un alt material de carbon numit aerogel de grafen. Creat de o echipă de cercetare din cadrul laboratorului Departamentului de Știință și Tehnologie a Polimerilor din cadrul Universității Zhejiang condus de profesorul Gao Chao, aerogelul ultra-ușor din grafen are o densitate puțin mai mică decât cea a gazului heliu și puțin mai mare decât cea a gazului hidrogen.

Aerogelurile, ca o clasă de materiale, au fost dezvoltate și produse în 1931 de inginerul și chimistul Samuel Stephens Kistler. De atunci, oameni de știință din diverse organizații au efectuat cercetări și dezvoltare materiale similare, în ciuda valorii lor dubioase pentru utilizare practică. Un aerogel format din nanotuburi de carbon cu pereți multipli, numit „fum înghețat” și având o densitate de 4 mg/cm3, și-a pierdut titlul de cel mai material ușorîn 2011, care s-a mutat într-un material de microrețea metalică având o densitate de 0,9 mG/cm3. Și un an mai târziu, titlul de cel mai ușor material a trecut unui material carbonic numit aerografit, a cărui densitate este de 0,18 mg/cm3.

Noul deținător al celui mai ușor titlu de material, aerogelul cu grafen, creat de echipa profesorului Chao, are o densitate de 0,16 mg/cm3. Pentru a crea un astfel de material ușor, oamenii de știință au folosit unul dintre cele mai uimitoare și materiale subțiri astăzi - grafen. Folosind experiența lor în crearea de materiale microscopice, cum ar fi fibre de grafen „unidimensionale” și panglici de grafen bidimensionale, echipa a decis să adauge o altă dimensiune celor două dimensiuni ale grafenului și să creeze un material de grafen poros în vrac.

În loc de metoda de fabricare a șablonului, care folosește un material solvent și este de obicei folosit pentru a face diverse aerogeluri, chinezii au folosit o metodă de liofilizare. Liofilizarea unei soluții de cooloid constând dintr-un umplutură lichid și particule de grafen a făcut posibilă crearea unui burete poros pe bază de carbon, a cărui formă a urmat aproape complet forma dată.

„Nu este nevoie să folosim șabloane; dimensiunea și forma materialului de carbon ultra-ușor pe care îl creăm depinde doar de forma și dimensiunea recipientului”, spune profesorul Chao, „cantitatea de aerogel produsă depinde doar de dimensiunea containerul, care poate avea un volum măsurat în mii de centimetri cubi.”

Aerogelul cu grafen rezultat este un material extrem de puternic și elastic. Poate absorbi materiale organice, inclusiv ulei, cântărind de până la 900 de ori greutatea proprie, la o rată mare de absorbție. Un gram de aerogel absoarbe 68,8 grame de ulei într-o singură secundă, făcându-l un material atractiv pentru utilizare ca absorbant pentru petrolul oceanic și produsele petroliere.

Pe lângă faptul că servește ca absorbant de ulei, aerogelul cu grafen are potențialul de utilizare în sistemele de stocare a energiei, ca catalizator pentru anumite reacții chimice și ca umplutură pentru materiale compozite complexe.

Imprimare 3D cu aerogel de grafen

• imprimante 3D,
• Știință populară *

Acest articol este o traducere a „Acum puteți imprima 3D unul dintre cele mai ușoare materiale din lume” de pe site-ul qz.com și am adăugat un pic de-al meu.

Acum, oamenii de știință de la Universitatea de Stat din New York (SUNY) și de la Universitatea de Stat din Kansas au publicat în revista Small despre o metodă de imprimare 3D cu aerogel de grafen. Această tehnologie simplifică turnarea produselor din acest material și extinde domeniul de aplicare al acestuia.

Grafenul este un strat de atomi de carbon gros de un atom. A fost primit pentru prima dată în 2004. Și de atunci a fost prezentat ca un material uimitor pentru rezistență, ductilitate și conductivitate. Aerogelul este în esență un gel obișnuit în care apa este înlocuită cu aer. Aerogelul cu grafen este cunoscut pentru compresibilitatea sa ridicată (deci poate rezista hipertensiune arterială fără a se prăbuși) și conductivitate ridicată. Însăși structura materialului, care îi conferă aceste calități, îl face dificil de utilizat în imprimarea 3D. De obicei, pentru imprimarea 3D cu aerogel, materialul de bază este amestecat cu alte ingrediente, cum ar fi un polimer. După conferirea structurii, polimerul este îndepărtat printr-un proces chimic (solvenți etc.). Această metodă nu este potrivită pentru producerea de produse din aerogel cu grafen deoarece va distruge structura grafenului.

Oamenii de știință de la SUNY Buffalo și Kansas State University au găsit o soluție la această problemă. Au amestecat oxidul de grafen cu apă și au imprimat 3D acest amestec pe un substrat la o temperatură de -25 C°. Așa că au înghețat fiecare strat imprimat folosind gheață ca suport.

Odată ce procesul de imprimare a fost finalizat, gheața a fost îndepărtată cu azot lichid - liofilizare. În acest fel, au eliminat apa din structură fără a deteriora microstructura. Materialul a fost ulterior încălzit pentru a îndepărta atomul de oxigen. Drept urmare, în aerogel a rămas doar grafen. Densitatea materialului astfel obținut a variat de la 0,5 kg/m3 până la 10 kg/m3. Densitatea celui mai ușor aerogel obținut este de 0,16 kg/m3.
Acum, cercetătorii de la SUNY și Kansas State University lucrează la adaptarea tehnologiei lor pentru a imprima cu alte aerogeluri.

Și, în sfârșit, vă voi spune despre o aplicație delicioasă și interesantă a aerogelului.

Nou sistem de gătit super high-tech

Bose a prezentat un sistem de gătit (video la link) constând dintr-o plită cu inducție cu cititor RFID și capacitatea de a monitoriza și alimenta un senzor de temperatură wireless, precum și o oală (tigaie) cu un perete interior din conductor de curent electric. material, care este un încălzitor, un perete exterior realizat din neconductor curent electric material și umplutură cu aerogel între doi pereți. Tigaia are, de asemenea, o etichetă RFID încorporată și un senzor de temperatură wireless alimentat prin inducție. Astfel, rezultatul este o tigaie pe care o poți ține de fund cu mâinile goale în timp ce apa fierbe în ea fără teamă să nu te arzi. Alegerea aerogelului ca izolator termic este determinată de o serie de cerințe, cum ar fi capacitatea de a rezista temperaturi ridicate, lejeritate, conductivitate termica scazuta (la aerogeluri, conductivitatea termica este undeva intre panourile de vid si izolatia din spuma poliuretanica, mai aproape de panouri). Când puneți tigaia plităÎncălzirea alimentelor/lichidului se realizează prin încălzirea prin inducție a peretelui interior al tigaii. Feedback-ul este implementat printr-un senzor de temperatură, astfel încât în ​​loc să setați o anumită putere furnizată element de încălzire se folosește temperatura suprafeței interioare a tigaii, care este aproape egală cu temperatura alimentului (intensitate energetică scăzută și conductivitate termică ridicată a stratului interior).

P.S. Suntem cu un pas mai aproape de realizarea mesei „magice” IKEA.

A fost inventat de un grup de oameni de știință condus de profesorul chinez Gao Chao de la Universitatea Zhejiang și a creat senzație în lumea științifică. Grafenul, un material incredibil de ușor în sine, este utilizat pe scară largă în nanotehnologia modernă. Și oamenii de știință au reușit să obțină din el un material poros - cel mai ușor din lume.

Aerogelul cu grafen a fost realizat în același mod ca și alte aerogeluri - prin uscare prin sublimare. Un burete poros din material carbon-grafen copiază aproape complet orice formă, ceea ce înseamnă că cantitatea de aerogel depinde doar de volumul recipientului.

De proprietăți chimice aerogelul are o densitate mai mică decât hidrogenul și heliul. Oamenii de știință l-au confirmat rezistență ridicată, elasticitate mare. Și asta în ciuda faptului că aerogelul cu grafen absoarbe și reține volume de substanțe organice de aproape 900 de ori masa sa! 1 gram de aerogel poate absorbi literalmente 68,8 grame de orice substanță insolubilă în apă într-o secundă. Este uimitor și poate că foarte curând toate barurile de pe poeli.ru și toate hotelurile vor folosi acest material în anumite scopuri pentru a atrage vizitatori.

O altă proprietate a noului material a fost de mare interes pentru comunitatea de mediu - capacitatea buretelui de grafen de a absorbi materie organică, care va ajuta la eliminarea consecințelor accidentelor provocate de om.

Proprietate potențială a grafenului ca catalizator reactii chimice, este destinat a fi utilizat în sistemele de depozitare și la fabricarea materialelor compozite complexe.

Combinația dintre grafen și nanotuburi de carbon a făcut posibilă obținerea unui aerogel de carbon fără dezavantajele aerogelurilor realizate numai din grafen sau numai din nanotuburi. Nou material compozit fabricat din carbon, pe lângă proprietățile obișnuite pentru toate aerogelurile - densitate extrem de scăzută, duritate și conductivitate termică scăzută - are și elasticitate ridicată (capacitatea de a-și restabili forma după comprimare și întindere repetată) și o excelentă capacitate de absorbție a lichidelor organice . Această ultimă proprietate poate avea aplicații în răspunsul la scurgerile de petrol.

Să ne imaginăm că încălzim un vas închis cu lichid și vapori din acest lichid. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât se va evapora mai mult lichid, transformându-se în fază gazoasă, și presiunea va fi mai mare și, odată cu aceasta, densitatea fazei gazoase (de fapt, numărul de molecule evaporate). La o anumită presiune și temperatură, a căror valoare va depinde de ce fel de substanță se află în vas, densitatea moleculelor din lichid va fi aceeași ca și în faza gazoasă. Această stare de lichid se numește supercritic. În această stare nu există nicio diferență între faza lichidă și cea gazoasă și, prin urmare, nu există tensiune superficială.

Aerogeluri și mai ușoare (mai puțin dense) sunt obținute prin depunerea chimică a unei substanțe care va acționa ca fază solidă a aerogelului pe un substrat poros pregătit anterior, care este apoi dizolvat. Această metodă vă permite să reglați densitatea fazei solide (prin reglarea cantității de substanță depusă) și structura acesteia (prin utilizarea unui substrat cu structura necesară).

Datorită structurii lor, aerogelurile au un set de proprietăți unice. Deși puterea lor se apropie de cea a solide(Fig. 1A), densitatea lor este apropiată de gaze. Aşa, cele mai bune mostre Aerogelul de cuarț are o densitate de aproximativ 2 mg/cm3 (densitatea aerului inclus în compoziția lor este de 1,2 mg/cm3), care este de o mie de ori mai mică decât cea a materialelor solide neporoase.

Aerogelurile au, de asemenea, o conductivitate termică extrem de scăzută (Fig. 1B), deoarece căldura trebuie să parcurgă o cale complexă printr-o rețea ramificată de lanțuri foarte subțiri de nanoparticule. În același timp, transferul de căldură prin faza de aer este și dificil din cauza faptului că aceleași lanțuri fac imposibilă convecția, fără de care conductivitatea termică a aerului este foarte scăzută.

O altă proprietate a aerogelului - porozitatea sa extraordinară - a făcut posibilă livrarea mostrelor de praf interplanetar pe Pământ (vezi Colectorul Stardust se întoarce acasă, „Elemente”, 14.01.2006) folosind nava spatiala Praf de stele. Dispozitivul său de colectare a fost un bloc de aerogel, care cădea în care particulele de praf s-au oprit cu o accelerație de câteva miliarde. g fără să se prăbușească (fig. 1C).

Până de curând, principalul dezavantaj al aerogelului a fost fragilitatea acestuia: s-a crăpat sub încărcări repetate. Toate aerogelurile obținute la acea vreme - din cuarț, niște oxizi de metal și carbon - aveau acest dezavantaj. Dar odată cu apariția noilor materiale de carbon - grafen și nanotuburi de carbon - s-a rezolvat problema obținerii de aerogeluri elastice și rezistente la rupere.

Grafenul este o foaie cu grosimea de un atom în care atomii de carbon formează o rețea hexagonală (fiecare celulă a rețelei este un hexagon), iar un nanotub de carbon este aceeași foaie rulată într-un cilindru cu o grosime de la unu la zeci de nanometri. Aceste forme de carbon au mare rezistenta mecanica, elasticitate, suprafață internă foarte mare, precum și conductivitate termică și electrică ridicată.

Cu toate acestea, materialele preparate separat din grafen sau separat din nanotuburi de carbon au și dezavantajele lor. Astfel, un aerogel de grafen cu o densitate de 5,1 mg/cm 3 nu sa prăbușit sub o sarcină care depășește propria greutate de 50.000 de ori și și-a restabilit forma după comprimare cu 80% din dimensiunea originală. Cu toate acestea, datorită faptului că foile de grafen au o rigiditate insuficientă la încovoiere, o scădere a densității lor înrăutățește proprietățile elastice ale aerogelului de grafen.

Aerogelul fabricat din nanotuburi de carbon are un alt dezavantaj: este mai rigid, dar nu își recuperează deloc forma după îndepărtarea sarcinii, deoarece nanotuburile sub sarcină sunt îndoite și încurcate ireversibil, iar sarcina este slab transferată între ele.

Amintiți-vă că deformarea este o modificare a poziției particulelor corpul fizic unul față de celălalt, iar deformarea elastică este o deformare care dispare odată cu dispariția forței care a provocat-o. „Gradul” de elasticitate al unui corp (așa-numitul modul elastic) este determinat de dependența efortului mecanic care apare în interiorul probei atunci când se aplică o forță de deformare asupra deformației elastice a probei. Stresul în acest caz este forța aplicată probei pe unitate de suprafață. (A nu se confunda cu tensiunea electrică!)

După cum a demonstrat un grup de oameni de știință chinezi, aceste neajunsuri sunt complet compensate dacă grafenul și nanotuburile sunt folosite simultan la prepararea aerogelului. Autorii articolului discutat în Materiale avansate a folosit o soluție apoasă de nanotuburi și oxid de grafen, din care apa a fost îndepărtată prin înghețare și sublimare a gheții - liofilizare (vezi și Liofilizare), care elimină și efectele tensiunii superficiale, după care oxidul de grafen a fost redus chimic la grafen. . În structura rezultată, foile de grafen au servit drept cadru, iar nanotuburile au servit ca elemente de rigidizare pe aceste foi (Fig. 2A, 2B). După cum au arătat studiile microscop electronic, foile de grafen se suprapun între ele și formează un cadru tridimensional cu pori care variază în dimensiune de la zeci de nanometri la zeci de micrometri, iar nanotuburile de carbon formează o rețea încurcată și aderă strâns la foile de grafen. Se pare că acest lucru este cauzat de nanotuburile care sunt împinse de cristalele de gheață în creștere pe măsură ce soluția inițială îngheață.

Densitatea probei a fost de 1 mg/cm3 excluzând aerul (Fig. 2C, 2D). Și conform calculelor din modelul structural prezentat de autori, densitatea minimă la care aerogelul din substanțele inițiale utilizate va păstra în continuare integritatea structurii este de 0,13 mg/cm 3, ceea ce este de aproape 10 ori mai mică decât densitatea de aer! Autorii au reușit să pregătească un aerogel compozit cu o densitate de 0,45 mg/cm 3 și un aerogel numai cu grafen cu o densitate de 0,16 mg/cm 3 , care este mai mică decât recordul anterior deținut de un aerogel cu ZnO depus pe un substrat. din faza gazoasa. Reducerea densității poate fi realizată prin utilizarea de foi mai largi de grafen, dar acest lucru reduce rigiditatea și rezistența materialului rezultat.

În timpul testării, mostrele unui astfel de aerogel compozit și-au păstrat forma și microstructura după 1000 de compresii repetate la 50% din dimensiunea originală. Rezistența la compresiune este aproximativ proporțională cu densitatea aerogelului și în toate probele crește treptat odată cu creșterea deformarii (Figura 3A). În intervalul de la –190°C la 300°C, proprietățile elastice ale aerogelurilor rezultate sunt aproape independente de temperatură.

Testul de tracțiune (Fig. 3B) a fost efectuat pe o probă cu o densitate de 1 mg/cm3, iar proba a rezistat la o întindere de 16,5%, ceea ce este complet de neconceput pentru aerogelurile de oxid, care crapă imediat când sunt întinse. În plus, rigiditatea în timpul tensiunii este mai mare decât în ​​timpul compresiei, adică proba este ușor zdrobită, dar întinsă cu dificultate.

Autorii au explicat acest set de proprietăți prin interacțiunea sinergică a grafenului și nanotuburilor, în care proprietățile componentelor se completează reciproc. Nanotuburile de carbon care acoperă foile de grafen servesc ca o legătură între foile adiacente, ceea ce îmbunătățește transferul de sarcină între ele, precum și elementele de rigidizare pentru foile în sine. Din acest motiv, sarcina nu duce la mișcarea foilor una față de alta (ca într-un aerogel din grafen pur), ci la deformarea elastică a foilor în sine. Și pentru că nanotuburile aderă strâns la foi și poziția lor este determinată de poziția foilor, ele nu suferă deformare și încurcare ireversibilă și nu se mișcă unul față de celălalt sub sarcină, ca într-un aerogel inelastic format numai din nanotuburi. Proprietăți optime are un aerogel format în mod egal din grafen și nanotuburi, iar odată cu creșterea conținutului de nanotuburi, acestea încep să formeze „încurcături”, ca într-un aerogel format doar din nanotuburi, ceea ce duce la pierderea elasticității.

Pe lângă proprietățile elastice descrise, aerogelul din carbon compozit are și alte proprietăți neobișnuite. Este conductiv electric, iar conductivitatea electrică se modifică reversibil la deformarea elastică. În plus, aerogelul din grafen și nanotuburi de carbon respinge apa, dar în același timp absoarbe perfect lichidele organice - 1,1 g de toluen în apă a fost complet absorbit de o bucată de aerogel care cântărește 3,2 mg în 5 secunde (Fig. 4). Se deschide mari oportunități pentru a elimina scurgerile de ulei și pentru a purifica apa din lichidele organice: doar 3,5 kg de astfel de aerogel pot absorbi o tonă de ulei, care este de 10 ori mai mult decât capacitatea unui absorbant utilizat în comerț. În același timp, absorbantul din aerogel compozit este regenerabil: datorită elasticității și rezistenței sale termice, lichidul absorbit poate fi stors ca dintr-un burete, iar restul este pur și simplu ars sau îndepărtat prin evaporare. Testele au arătat că proprietățile sunt menținute după 10 astfel de cicluri.

Varietate de forme de carbon și proprietăți unice Aceste forme și materialele obținute din ele continuă să-i uimească pe cercetători, astfel încât pe viitor să ne așteptăm la tot mai multe descoperiri în acest domeniu. Câte lucruri se pot face dintr-un singur element chimic!

Aerografitul a fost deplasat din poziția celei mai ușoare substanțe solide formă nouă aerogel.

Cercetările în aerogeluri continuă, iar oamenii de știință creează în mod constant din ce în ce mai multe soiuri fără greutate. În 1931, a fost sintetizat un aerogel pe bază de nanotuburi de carbon. Densitatea acestei substanțe este de 4 miligrame pe centimetru cub. Timp de peste 80 de ani a fost considerat cel mai ușor dintre solide. A fost înlocuit cu aerogel de silicat (despre care s-a discutat deja o dată). Substanța, din care 1 centimetru cub cântărește 1 mg, a ocupat imediat 15 poziții în Cartea Recordurilor Guinness și a fost numită „fum înghețat” pentru aspectul său olografic. Mai târziu în această cursă, el a fost înaintea microgridurilor metalice cu o densitate de 0,9 mg/cm 3 , dar acestea au fost în curând deplasate de pe piedestal de aerografit (0,18 mg/cm 3 ).

Microgrile metalice și aerografit

Aerografitul a deținut titlul de cel mai ușor material din ultimii ani. Este de șase ori mai ușor decât aerul; un centimetru cub din această substanță cântărește 0,18 miligrame. Când aerografitul a fost documentat și recunoscut oficial, a fost cu adevărat o mare descoperire. Dar triumful a fost de scurtă durată.

Luna aceasta, o echipă de oameni de știință de la Universitatea Zhejiang din China a reușit să doboare recordul de luminozitate stabilit de aerografit. Noua descoperire este o substanță poroasă constând din grafen și nanotuburi de carbon, obținute prin liofilizarea soluției acestora. Materialul se numește „grafen-aerogel”. Densitatea sa este de 0,16 mg/cm3. Aceasta este de două ori densitatea hidrogenului și de șapte ori și jumătate mai mică decât densitatea aerului.

Dacă cineva este îngrijorat de ce toate aceste substanțe glorioase la o asemenea greutate nu zboară departe, vă puteți liniști cu același lucru ca și mine. Acest lucru mi s-a părut ciudat, sau cel puțin contraintuitiv, dar asta a spus el fiecare resursă care a scris despre aceste aerogeluri. În plus, Wiki afișează și astfel de indicatori. Densitatea aerului este de 1,2 mg/cm 3, densitatea eroului intrigii este de 0,16. Obosit să verific de două ori, m-am asigurat că aerogelurile sunt poroase și, la calcularea densității, au exclus în mod clar greutatea aerului din interiorul lor. Astfel, greutatea unui centimetru cub al unei microrețele metalice fără aer este de 0,9. Cu aer - 2,2 mg. Se pare că s-au adunat. Uf.

Potrivit unuia dintre cercetătorii de frunte, metoda de uscare prin congelare face posibilă și producerea în masă a aerografelor, mai degrabă decât într-un laborator.

Un videoclip groaznic despre el:

Acum, că întreaga lume a aflat despre crearea unui nou material, cel mai ușor, sunt propuse multe idei pentru utilizarea acestuia. Una dintre cele mai populare idei este curățarea scurgerilor de petrol. Aerogelul cu grafen va fi capabil să absoarbă uleiul și apa în cantități care depășesc greutatea sa de 900 de ori. La fel și uleiul și apa absorbite, precum și aerogelul de grafen în sine, pot fi reutilizate în viitor. Cercetătorii lucrează din greu pentru a dezvolta în continuare materialul și posibilele sale aplicații.

Surse: