Графеновый аэрогель - самый легкий материал в мире. Графен-аэрогель: самый легкий материал в мире
Если вы следите за новинками в мире современных технологий, то данный материал не будет для вас большой новостью. Тем не менее, рассмотреть более детально самый легкий материал в мире и узнать еще немного подробностей полезно.
Менее года назад звание самого легкого в мире материала получил материал под названием аэрографит. Но этому материалу не получилось долго удерживать пальму первенства, ее не так давно перехватил другой углеродный материал под названием графеновый аэрогель. Созданный исследовательской группой лаборатории Отдела науки о полимерах и технологиях университета Чжэцзяна (Zhejiang University), которую возглавляет профессор Гэо Чэо (Gao Chao), сверхлегкий графеновый аэрогель имеет плотность немного ниже плотности газообразного гелия и чуть выше плотности газообразного водорода.
Аэрогели, как класс материалов, были разработаны и получены в 1931 году инженером и ученым-химиком Сэмюэлем Стивенсом Кистлером (Samuel Stephens Kistler). С того момент ученые из различных организаций вели исследования и разработку подобных материалов, невзирая на их сомнительную ценность для практического использования. Аэрогель, состоящий из многослойных углеродных нанотрубок, получивший название «замороженный дым» и имевший плотность 4 мГ/см3, потерял звание самого легкого материала в 2011 году, которое перешло к материалу из металлической микрорешетки, имеющему плотность 0.9 мГ/см3. А еще год спустя звание самого легкого материала перешло к углеродному материалу под названием аэрографит, плотность которого составляет 0.18 мг/см3.
Новый обладатель звания самого легкого материала, графеновый аэрогель, созданный командой профессора Чэо, имеет плотность 0.16 мГ/см3. Для того, чтобы создать столь легкий материал, ученые использовали один из самых удивительных и тонких материалов на сегодняшний день - графен. Используя свой опыт в создании микроскопических материалов, таких, как «одномерные» графеновые волокна и двухмерные графеновые ленты, команда решила добавить к двум измерениями графена еще одно измерение и создать объемный пористый графеновый материал.
Вместо метода изготовления по шаблону, в котором используется материал-растворитель и с помощью которого обычно получают различные аэрогели, китайские использовали метод сублимационной сушки. Сублимационная сушка коолоидного раствора, состоящего из жидкого наполнителя и частиц графена, позволила создать углеродистую пористую губку, форма которой почти полностью повторяла заданную форму.
«Отсутствие потребности использования шаблонов размеры и форма создаваемого нами углеродного сверхлегкого материала зависит только от формы и размеров контейнера» - рассказывает профессор Чэо, - «Количество изготавливаемого аэрогеля зависит только от величины контейнера, который может иметь объем, измеряемый тысячами кубических сантиметров».
Получившийся графеновый аэрогель является чрезвычайно прочным и упругим материалом. Он может поглотить органические материалы, в том числе и нефть, по весу превышающие в 900 раз его собственный вес с высокой скоростью поглощения. Один грамм аэрогеля поглощает 68.8 грамма нефти всего за одну секунду, что делает его привлекательным материалом для использования в качестве поглотителя разлитой в океане нефти и нефтепродуктов.
Помимо работы в качестве поглотителя нефти графеновый аэрогель имеет потенциал для использования в системах аккумулирования энергии, в качестве катализатора для некоторых химических реакциях и в качестве наполнителя для сложных композитных материалов.
3D печать графеновым аэрогелем
- 3D-принтеры ,
- Научно-популярное *
Эта статья является переводом "You can now 3D print one of the world’s lightest materials " с сайта qz.com , ну и немного от себя добавил.
В настоящее время ученые из State University of New York (SUNY) и Kansas State University опубликовали в журнале Small о способе 3D печати графеновым аэрогелем. Эта технология упрощает формования изделий из этого материала и расширяет сферу его применения.
Графен - это слой атомов углерода толщиной в один атом. Впервые он был получен в 2004 году. И с тех пор был разрекламирован как удивительный материал за его прочность, пластичность и проводимость. Аэрогель по существу это обычный гель в котором вода заменена на воздух. Графеновый аэрогель известен своей высокой сжимаемостью (поэтому он может выдерживать высокое давление не разрушаясь) и высокой проводимостью. Сама структура материала, что придает ему эти качества, делает сложным его использование в 3D печати. Обычно для 3D печати аэрогелем основной материал смешивают с другими ингредиентами такими, как полимер. После придания структуры, полимер убирается химическим процессом (растворители и т.д.). Для получения изделий из графенового аэрогеля такой способ не подойдет т.к. разрушит структуру графена.
Ученые из SUNY Buffalo и Kansas State University нашли решение этой проблемы. Они смешали оксид графена с водой и наносили методом 3D печати эту смесь на подложку с температурой в - 25 C°. Таким образом, они замораживали каждый напечатанный слой используя лед, как поддержку.
Как только процесс печати закончился, лед удалили жидким азотом - сублимационная сушка. Таким образом, они исключили воду из конструкции не повреждая микроструктуру. В дальнейшем материал был нагрет для удаления атома кислорода. В результате в аэрогеле остался только графен. Плотность материала полученного таким способом составила от 0,5 кг/м3 до 10 кг/м3. Плотность наилегчайшего полученного аэрогеля составляет 0,16 кг/м3.
Сейчас исследователи из SUNY и Kansas State University работают над адаптацией своей технологии к печати другими аэрогелями.
Ну и напоследок расскажу об одной вкусной интересной сфере применения аэрогеля.
Новая супер high-tech система приготовления пищи
Bose представила систему приготовления пищи (видео по ссылке) состоящую из индукционной варочной панели со считывателем радиочастотных меток и возможностью мониторинга и питания беспроводного датчика температуры, а также кастрюли (сковородки) с внутренней стенкой изготовленной из материала проводника электрического тока, являющегося нагревателем, наружной стенки из не проводящего электрический ток материала и наполнителя из аэрогеля между двумя стенками. В кастрюлю также встроена радиочастотная метка и беспроводной датчик температуры с индукционным питанием. Таким образом, получилась кастрюля которую можно не боясь обжечься держать голыми руками за дно во время кипения в ней воды. Выбор аэрогеля в качестве теплоизолятора обусловлен рядом требований таких как способность выдерживать высокие температуры, легкость, низкая теплопроводность (у аэрогелев теплопроводность находится где-то между вакуумными панелями и ППУ изоляцией, ближе к панелям). При установке кастрюли на варочную панель нагрев пищи/жидкости осуществляется за счет индукционного нагрева внутренней стенки кастрюли. Обратная связь реализована через датчик температуры, поэтому вместо задания определенной мощности подаваемой на нагревательный элемент используется выставление температуры внутренней поверхности кастрюли, что почти равно температуре пищи (низкая энергоемкость и высокая теплопроводность внутреннего слоя).
P.S. Мы стали еще на один шаг ближе к реализации «волшебного» стола IKEA.
Его изобрела группа ученых под руководством китайского профессора Гао Чао из Чжэцзянского университета и это произвело фурор в научном мире. Графен – невероятно легкий материал сам по себе – широко используется современными нанотехнологиями. И ученым из него удалось получить пористый материал – самый легкий в мире.
Изготовлен графеновый аэрогель тем же способом, что и другие аэрогели – сублимационной сушкой. Пористая губка из углеродисто-графенового материала почти полностью копирует любые формы, а значит, количество аэрогеля зависит лишь от объема емкости.
По химическим свойствам аэрогель обладает плотностью ниже водорода и гелия. Учеными подтверждаются и его высокая прочность, высокая упругость. И это несмотря на то, что графеновый аэрогель впитывает и удерживает объемы органических веществ почти в 900 раз больше своей массы! 1 грамм аэрогеля может впитать буквально за секунду 68,8 граммов любого вещества, нерастворимого в воде. Это поражает воображение и возможно совсем скоро все бары на poeli.ru и все отели будут использовать этот материал в каких-то своих целях для привлечения посетителей.
Еще одно свойство нового материала весьма заинтересовало экологическое сообщество – это способность графеновой губки впитывать в себя органические вещества, что поможет в ликвидации последствий техногенных аварий.
Потенциальное свойство графена, как катализатора химических реакций, задумано использовать в системах аккумулирования и при изготовлении сложных композитных материалов.
Сочетание графена и углеродных нанотрубок позволило получить углеродный аэрогель, лишенный недостатков аэрогелей только из графена или только из нанотрубок. Новый композитный материал из углерода помимо обычных для всех аэрогелей свойств — чрезвычайно низкой плотности, твердости и низкой теплопроводности — обладает также высокой эластичностью (способностью восстанавливать форму после многократных сжатий и растяжений) и прекрасной способностью абсорбировать органические жидкости. Это последнее свойство может найти применение для ликвидации разливов нефти.
Представим себе, что мы нагреваем замкнутый сосуд с жидкостью и парами этой жидкости. Чем выше температура, тем больше жидкости будет испаряться, переходя в газовую фазу, и тем выше будет давление, а вместе с ним и плотность газовой фазы (фактически — количество испарившихся молекул). При определённых давлении и температуре, величина которых будет зависеть от того, что за вещество в сосуде, плотность молекул в жидкости окажется такой же, как в газовой фазе. Такое состояние жидкости и называют сверхкритическим . В этом состоянии нет различия между жидкой и газовой фазой, а поэтому нет и поверхностного натяжения.
Еще более легкие (менее плотные) аэрогели получаются методом химического осаждения вещества, которое будет выполнять роль твердой фазы аэрогеля, на ранее приготовленную пористую подложку, которую затем растворяют. Этот метод позволяет регулировать плотность твердой фазы (путем регулирования количества осаждаемого вещества) и ее структуру (путем использования подложки с необходимой структурой).
Благодаря своей структуре аэрогели обладают набором уникальных свойств. Хотя их прочность приближается к прочности твердых тел (рис. 1A), по плотности они близки к газам. Так, лучшие образцы кварцевого аэрогеля имеют плотность около 2 мг/см 3 (плотность входящего в их состав воздуха — 1,2 мг/см 3), что в тысячу раз меньше, чем у непористых твердых материалов.
Аэрогели обладают и крайне малой теплопроводностью (рис. 1B), поскольку теплу нужно пройти сложный путь по разветвленной сети из очень тонких цепочек наночастиц. При этом перенос тепла по воздушной фазе также затруднен из-за того, что эти же цепочки делают невозможной конвекцию, без которой теплопроводность воздуха очень низка.
Ещё одно свойство аэрогеля — его необычайная пористость — позволило доставить на Землю образцы межпланетной пыли (см. Сборщик звездной пыли возвращается домой , «Элементы», 14.01.2006) с помощью космического аппарата Stardust. Его устройство сбора представляло собой блок аэрогеля, попадая в который, частицы пыли останавливались с ускорением несколько миллиардов g , не разрушаясь (рис. 1C).
Главным недостатком аэрогеля до недавнего времени была его хрупкость: он растрескивался при повторных нагрузках. Все полученные на тот момент аэрогели — из кварца, некоторых оксидов металлов и углерода — обладали этим недостатком. Но с появлением новых углеродных материалов — графена и углеродных нанотрубок — проблема получения эластичных и устойчивых к разрушению аэрогелей была решена.
Графен — это лист толщиной в один атом, в котором атомы углерода образуют гексагональную решетку (каждая клетка решётки — шестиугольник), а углеродная нанотрубка — это такой же лист, свернутый в цилиндр толщиной от одного до десятков нанометров. Эти формы углерода обладают большой механической прочностью, эластичностью, очень высокой площадью внутренней поверхности, а так же высокой тепло- и электропроводностью.
Однако материалы, приготовленные отдельно из графена или отдельно из углеродных нанотрубок, тоже имеют свои недостатки. Так, аэрогель из графена плотностью 5,1 мг/см 3 не разрушался под нагрузкой, превосходящей его собственный вес в 50 000 раз, и восстанавливал форму после сжатия на 80% от исходного размера. Однако из-за того, что графеновые листы обладают недостаточной жесткостью при изгибе, уменьшение их плотности ухудшает упругие свойства аэрогеля из графена.
Аэрогель из углеродных нанотрубок обладает другим недостатком: он более жесткий, но вообще не восстанавливает форму после снятия нагрузки, поскольку нанотрубки под нагрузкой необратимо изгибаются и перепутываются, а нагрузка плохо передается между ними.
Напомним, что деформация это изменение положения частиц физического тела друг относительно друга, а упругая деформация — это такая деформация, которая исчезает вместе с исчезновением силы, ее вызвавшей. «Степень» упругости тела (так называемый модуль упругости) определяется зависимостью механического напряжения , возникшего внутри образца при приложении деформирующей силы, от упругой деформации образца. Напряжение в данном случае — это сила, приложенная к образцу на единицу его площади. (Не путать с электрическим напряжением !)
Как продемонстрировала группа китайских ученых, эти недостатки полностью компенсируются, если использовать при приготовлении аэрогеля одновременно графен и нанотрубки. Авторы обсуждаемой статьи в Advanced Materials использовали водный раствор нанотрубок и оксида графена, вода из которого была удалена путем замораживания и сублимации льда — лиофилизации (см. также Freeze-drying), при которой также устраняются эффекты поверхностного натяжения, после чего оксид графена был химически восстановлен до графена. В получившейся структуре графеновые листы служили каркасом, а нанотрубки — ребрами жесткости на этих листах (рис. 2A, 2B). Как показали исследования под электронным микроскопом, графеновые листы перекрываются друг с другом и образуют трехмерный каркас с порами размером от десятков нанометров до десятков микрометров, а углеродные нанотрубки образуют перепутанную сеть и плотно прилегают к графеновым листам. По-видимому, это вызвано выталкиванием нанотрубок растущими ледяными кристалами при замораживании исходного раствора.
Плотность образца составила 1 мг/см 3 без учета воздуха (рис. 2C, 2D). А согласно расчетам в представленной авторами структурной модели, минимальная плотность, при которой аэрогель из использованных исходных веществ еще сохранит целостность структуры, составляет 0,13 мг/см 3 , что почти в 10 раз меньше плотности воздуха! Авторы смогли приготовить композитный аэрогель с плотностью 0,45 мг/см 3 и аэрогель только из графена плотностью 0,16 мг/см 3 , что меньше предыдущего рекорда, принадлежащего аэрогелю из ZnO, осажденному на субстрат из газовой фазы. Уменьшения плотности можно достичь, используя более широкие листы графена, но при этом снижается жесткость и прочность полученного материала.
При испытаниях образцы такого композитного аэрогеля сохраняли форму и микроструктуру после 1000 повторных сжатий на 50% от исходного размера. Сопротивляемость сжатию приблизительно пропорциональна плотности аэрогеля и во всех образцах постепенно возрастает с увеличением деформации (рис. 3A). В диапазоне от –190°С до 300°С упругие свойства полученных аэрогелей почти не зависят от температуры.
Испытания на разрыв (рис. 3B) были проведены для образца с плотностью 1 мг/см 3 , и образец выдержал растяжение на 16,5%, что совершенно немыслимо для оксидных аэрогелей, которые при растяжении трескаются сразу. Кроме того, жёсткость при растяжении выше, чем при сжатии, то есть образец сминается легко, а растягивается с трудом.
Этот набор свойств авторы объяснили синергетическим взаимодействием графена и нанотрубок, при котором свойства компонентов взаимно дополняют друг друга. Углеродные нанотрубки, покрывающие графеновые листы, служат связью между соседними листами, которая улучшает передачу нагрузки между ними, а так же ребрами жесткости для самих листов. Благодаря этому нагрузка приводит не к движению листов друг относительно друга (как в аэрогеле из чистого графена), а к упругой деформации самих листов. А поскольку нанотрубки плотно прилегают к листам и их положение задается положением листов, они не испытывают необратимых деформаций и перепутывания и не движутся друг относительно друга под нагрузкой, как в неэластичном аэрогеле только из нанотрубок. Оптимальными свойствами обладает аэрогель, состоящий поровну из графена и нанотрубок, а с увеличением содержания нанотрубок они начинают образовывать «колтуны», как в аэрогеле только из нанотрубок, что приводит к потере эластичности.
Кроме описанных упругих свойств композитный углеродный аэрогель обладает и другими необычными свойствами. Он электропроводен, причем электропроводность обратимо меняется при упругой деформации. Кроме того, аэрогель из графена и углеродных нанотрубок отталкивает воду, но при этом прекрасно абсорбирует органические жидкости — 1,1 г толуола на воде было полностью абсорбировано куском аэрогеля весом 3,2 мг за 5 секунд (рис. 4). Это открывает прекрасные возможности для ликвидации разливов нефти и очищении воды от органических жидкостей: всего 3,5 кг такого аэрогеля могут абсорбировать тонну нефти, что в 10 раз больше, чем емкость коммерчески используемого абсорбента. При этом абсорбент из композитного аэрогеля регенерируем: благодаря его эластичности и термической стойкости абсорбированная жидкость может быть выдавлена, как из губки, а остаток просто выжжен или удален испарением. Испытания показали, что свойства сохраняются после 10 таких циклов.
Разнообразие форм углерода и уникальные свойства этих форм и материалов, полученных на их основе, продолжают удивлять исследователей, так что в будущем можно ожидать все новых и новых открытий в этой области. Сколько всего можно сделать только из одного химического элемента!
Аэрографит вытеснен с позиции самого лёгкого твёрдого вещества новой формой аэрогеля.
Исследование аэрогелей продолжается и учёные постоянно создают всё более невесомые его разновидности. В 1931 году был синтезирован аэрогель на основе карбоновых нанотруб. Плотность этого вещества составляет 4 миллиграмма на кубический сантиметр. Более 80 лет он считался самым лёгким из твёрдых веществ. На смену ему пришёл силикатный аэроглель (о котором уже как-то было ). Вещество, 1 кубический сантиметр которого весит 1 мг, заняло сразу 15 позиций в книге рекордов Гиннесса, а за свой голографический врешний вид получило название "замороженный дым". Позже в этой гонке его опередили металлические микрорешетки с плотностью 0,9 мг/см 3 , но и они вскоре были вытеснены с пьедестала аэрографитом (0,18 мг/см 3).
Металлические микрорешетки и аэрографит
Аэрографит удерживал титул самого легкого материала в последние годы. Он легче воздуха в шесть раз, один кубический сантиметр этого вещества весит 0,18 миллиграмма. Когда аэрографит был официально задокументирован и признан – это действительно было великое открытие. Но, триумф оказался недолог.
В этом месяце группа ученых из китайского университета Чжецзян смогла побить рекорд легкости, установленый аэрографитом. Новое открытие – это пористая субстанция, состоящая из графена и углеродных нанотруб, получаемая в результате сублимационной сушки их раствора. Материал получил название «графен-аэрогель». Его плотность - 0,16 мг/см 3 . Это в два раза больше плотности водорода и в семь с половиной раз меньше плотности воздуха.
Если кого-то беспокоит, почему все эти славные вещества при таком весе не улетают, можете успокоить себя тем же, чем и я. Мне это тоже показалось странным или, во всяком случае, контринтуитивным, но так говорил каждый ресурс, писавший об этих аэрогелях. К тому же, в Вики тоже такие показатели. Плотность воздуха - 1,2 мг/см 3 , плотность героя сюжета - 0,16. Устав перепроверять, я успокоила себя тем, что аэрогели пористые и при подсчёте плотности явно исключили вес воздуха внутри них. Так, вес кубического сантиметра металлической микрорешетки без воздуха - 0,9. С воздухом - 2,2 мг. Кажется, сошлось. Фух.
По словам одного из ведущих исследователей, метод сублимационной сушки также делает возможным массовое, а не лабораторное производство аэрографена.
Ужасненькое видео о нём:
Теперь, когда весь мир узнал о создании нового самого легкого материала, предлагаются множество идей его использования. Одна из самых популярных идей – это очистка разливов нефти. Графен-аэрогель сможет поглощать в себя нефть и воду в количестве, превышающий свой вес в 900 раз. А также поглощенные нефть и вода, и сам графен-аэрогель, могут быть использованы заново в дальнейшем. Исследователи трудятся усердно над дальнейшей разработкой материала и возможностями его применения.
Источники: