Три технологии в одной: аэрогель из графена, напечатанный на 3D принтере. Графен аэрогель
Графеновый аэрогель - сверхлёгкий материал
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 ученые 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.
ribalych.ru
Графен-аэрогель: самый легкий материал в мире
Все началось в далеком 1931-м году, более 80 лет назад, когда Семуэл Стивенс Кестлер изобрел аэрогели — самые легкие на тот момент материалы, которые в то же время были очень прочными.
Спокойствие сохранялось 80 лет, до 2011 года, когда самым легким материалом стал микрорешетчатый материал графен. Его плотность составляла всего 0,9 мг на 1 куб.см и это было в 4 раза меньше чем аэрогели. С этого момента и начался настоящий прорыв в исследовании и изобретении сверхлегких материалов.
Менее чем за один год ученым удалось придумать аэрографит и сделать его в 4 раза легче, чем графен. Плотность аэрографита составляла 0,18 мг/см3. 
Вызов был принят и уже есть результат: Китайские ученые попробовали сделать универсальный легкий материал и получился аэрогель на основне графена с показателем удельного веса 0,16 мг/см3. Чтобы было понятно, с каким легким материалом мы имеем дело, сравним его с воздухом — он в 6,5 раз легче воздуха.
Из чего же состоит этот аэрогель на основе графена? Это пористый материал на основе углерода (карбон), который подвергают сублимационной сушке. Официальное название открытого материала «графен-аэрогель».
Уникальность свойств материала:
- высокий коэффициент эластичности;
- электропроводность;
- коеффициент адсорбции — 900.
Это означает, что будучи легче воздуха (да, он может улететь и его нужно привязывать, как воздушный шарик) и имея пористую структуру он может впитывать в себя вещество весом в 900 раз больше собственного. Уже появляются идеи использования «графена-аэрогеля» в качестве утилизатора разлитой в морях, океанах нефти. Примечательно, что графен и собранную нефть можно будет использовать повторно после сборки.
Электропроводность материала скорее всего заинтересует производителей электроники и мобильной техники, где вес устройства иногда играет очень важную роль.
А графен-аэрогелю не известно понятие веса.
gooosha.ru
Аэрогель из графена и углеродных нанотрубок лишен недостатков своих предшественников
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.
По определению, гель — это один из видов коллоидных систем, представляющий собой взвесь жидких частиц в твёрдом теле. Твердого компонента в геле намного меньше по объему, чем жидкого, но он представлен частицами нанометрового размера, контактирующими друг с другом и образующими разветвленную сеть из цепочек и листов, непрерывно пронизывающую весь объем геля. Именно за счет этого гель сопротивляется текучести и является студенистым или даже упругим, а не жидким. Если жидкую фазу полностью заместить газообразной (например, воздухом), мы получим аэрогель. Твердая фаза занимает в нем меньше 15% объема — как правило, около 1% или даже меньше.
Обычно для приготовления аэрогелей используют два родственных метода. Первый из них — сверхкритическая сушка. Если просто высушить гель, отступающая жидкость будет стягивать сетку наночастиц, поэтому сушку нужно проводить при условиях, в которых нет поверхностного натяжения, то есть когда жидкость находится в сверхкритическом состоянии.
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.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/см3 (плотность входящего в их состав воздуха — 1,2 мг/см3 ), 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.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!)
Плотность образца составила 1 мг/см3 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/см3, что почти в 10 раз меньше плотности воздуха! Авторы смогли приготовить композитный аэрогель с плотностью 0,45 мг/см3 и аэрогель только из графена плотностью 0,16 мг/см3, 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/см3, 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!
Источник: Haiyan Sun , Zhen Xu, Chao Gao. Multifunctional, Ultra-Flyweight, Synergistically Assembled Carbon Aerogels // Advanced Materials. 2013. V. 25. P. 2554–2560.
См. также:1) Wencai Ren & Hui-ming Cheng. When two is better than one // Nature. 2013. V. 497. P. 448–449.2) Тим Скоренко. Когда воздух кажется тяжелым, «Популярная механика» №6, 2013.
Иван Лаврёнов
elementy.ru
Графеновый аэрогель – самый легкий материал на планете
Совсем недавно был изобретен новый материал – графеновый аэрогель, отличающийся сверхлегким весом. Данный материал был получен группой исследователей из университета Чжэцзяна (Zhejiang University) в лаборатории Отдела науки о полимерах, под руководством профессора Гэо Чэо (Gao Chao). Благодаря тому, что новый материал имеет плотность ниже гелия находящегося в газообразном состоянии и немного выше плотности водорода, он по праву занял место самого легкого материала на планете.
Стоит сказать, что впервые аэрогели были разработаны Сэмюэлем Стивенсом Кистлером (Samuel Stephens Kistler), химиком-ученым в 1931 году. Начиная с этого момента ученые со всего мира включились в неофициальную гонку по разработке аналогичных материалов, хотя практическое их применение остается под большим вопросом.
Графеновый аэрогель – материал имеющий плотность 0,16 мГ/см3. Для его получения был использован самый современный и тонкий материал в мире – графен. Сам материал по сути напоминает пористую губку, в которой вещество занимает всего лишь около 1% объема, а остальную часть составляет воздух.
Графеновый аэрогель не смотря на свой чрезвычайно легкий вес, в тоже самое время является очень прочным и жестким материалом. Недавно открыли способность данного материала поглощать различные органические соединения, причем он поглощает их просто с фантастической скоростью. Графеновый аэрогель весом всего лишь 1 грамм способен фактически за 1 секунду поглотить 68,8 грамма, например, нефти, что открывает большие перспективы по его применению для поглощения и последующей нейтрализации нефти разлитой в океане.
Ну а визуально оценить насколько легок графеновый аэрогель можно по фотографиям приводимым ниже, смотря на которые кажется, что такого не может быть.
Графеновый аэрогель – самый легкий материал на планете — 1
Графеновый аэрогель – самый легкий материал на планете — 2
Графеновый аэрогель – самый легкий материал на планете — 3
Графеновый аэрогель – самый легкий материал на планете — 4
Графеновый аэрогель – самый легкий материал на планете — 5
Графеновый аэрогель – самый легкий материал на планете — 6
Графеновый аэрогель – самый легкий материал на планете — 7
Графеновый аэрогель – самый легкий материал на планете — 8
allfreefoto.ru
Легче воздуха | Журнал Популярная Механика
Что с этим делать?
Применяются аэрогели в достаточно широком спектре областей, но, так сказать, понемногу. Одна из основных отраслей, использующих подобные материалы, — космическая.
Например, в 1999 году агентство NASA запустило космический аппарат «Стардаст», созданный специально для исследования короткопериодической кометы 81P/Вильда. Пролетев около 4,8 млрд километров, «Стардаст» успешно достиг кометы, сделал ряд фотоснимков и, что очень важно, собрал частицы «звездной пыли» из комы (облака пыли и газа), окружающей комету.
Для сбора образцов как раз и использовался аэрогель, известный своими абсорбирующими качествами. 260 аэрогелевых параллелепипедов уловили значительное количество частиц и послужили «контейнерами», позволившими доставить «звездную пыль» на Землю в полной сохранности. В 2006 году «Стардаст» успешно вернулся, и ученые впервые за много лет получили образцы космического вещества — причем не какого-то, а из «окружения» кометы; анализ полученных образцов стал еще одной вехой в исследовании космоса.
В принципе, в качестве ловушки можно было использовать и другие вещества, но ничто не могло сравниться с аэрогелем по сочетанию «малая масса — высокая адсорбирующая способность».
Конечно, не космосом единым жив человек. Для нас значительно более важно не исследовательское, а прикладное применение того или иного изобретения. Интересно, что на ранних стадиях аэрогели пытались применять практически во всех сферах человеческого существования — от косметики до взрывчатки, от сигарет до холодильников.
В 1940-х годах Сэмюэл Кистлер подписал контракт с компанией Monsanto, которая производила и продавала этот материал под торговой маркой Santocel. Содержание воздуха в «сантоселе» составляло порядка 94%. В первую очередь «сантосель» рекламировался как изоляционный материал для пожароопасных производств, поскольку был негорючим и очень легким.
Его абсорбирующие свойства позволяли использовать его в качестве загустителя в напалмовых бомбах, также он использовался при производстве лакокрасочной продукции и т. д. В течение четверти века Monsanto была единственным производителем аэрогелей в мире, но в 1970-х годах и она свернула производство странного вещества. Слишком мал был спрос, и слишком дорогим и опасным оставалось производство.
Но в 1980-х годах ученые разработали ряд более простых способов получения аэрогеля. Спирт был заменен диоксидом углерода, а применение в технологии изготовления силикагелей алкоголятов кремния снизило токсичность и повысило скорость производства. Аэрогель снова приобрел коммерческую ценность и получил второй шанс.
Ныне аэрогели применяются в различных отраслях промышленности, например при производстве силикона и строительных материалов. Аэрогель можно встретить в красках, косметике, водонепроницаемых и огнеупорных тканях, в ядерной отрасли. Но основное употребление он нашел в сфере изоляционных материалов.
В частности, это идеальный огнеупорный материал, позволяющий увеличить пожарную безопасность зданий, а также теплоизоляционная структура для труднодоступных участков (скажем, оконные щели в точках открывания). Да, стоимость его высока, но при грамотном использовании в определенных местах она выходит даже меньше, нежели при применении традиционных методов. Если в ближайшее время будут разработаны новые, более дешевые методики производства аэрогеля и его стоимость упадет, аэрогель вполне может стать товаром широкого потребления. Как алюминий, нейлон или дерево.
Вперед в будущее
Исследование аэрогелей продолжается. Перед учеными стоит целый ряд задач: сделать материал прочнее, дешевле, а также обезопасить его производство. В 2002 году профессор Николас Левентис из Университета науки и технологий штата Миссури объявил о том, что разработал метод производства нехрупкого аэрогеля (раньше хрупкость была одной из основных проблем материала).
Вещества, созданные по методике Левентиса, получили наименование X-аэрогели — они более прочные и эластичные, но, с другой стороны, их производство весьма опасно и занимает больше времени. Ухудшились и изоляционные свойства. X-аэрогели могут найти применение в сфере производства брони, автомобильных шин, самолетов. Углеродные аэрогели можно применять для создания суперконденсаторов и топливных элементов.
Сделай сам На сайте aerogel.org приведена пошаговая инструкция по изготовлению установки для сверхкритической сушки — того самого устройства, которое позволит получать аэрогели в домашних условиях, а также целый ряд инструкций по созданию аэрогелей различных типов.
Современная наука чаще всего базируется на исследованиях, которые проводятся в хорошо оборудованных лабораториях целыми институтами. Аэрогелем, как ни странно, может заниматься и ученый-одиночка — необходимое оборудование сравнительно доступно. Это открывает достаточно широкие возможности для исследований. В интернете можно найти целые сайты, посвященные методике и рецептам по изготовлению аэрогелей.
Но мы, кажется, так и не ответили на два важных вопроса, заданных в начале материала: действительно ли аэрогель может быть легче воздуха и почему китайский графеновый аэрогель стал сенсацией. Плотность различных аэрогелей обычно варьируется в пределах от 0,001 до 0,5 г/см3 (чаще всего порядка 0,02 г/см3) а плотность воздуха — 0,001225 г/см3.
www.popmech.ru
Графеновый аэрогель
Из всех аэрогелей графеновый наименее плотный и считается одним из самых легких твердых материалов на Земле.
Ученые Чжэцзянского университета (Китай) изготовили гибкий, проводящий электричество и имитирующий структуру стебля растения графеновый аэрогель, способный выдержать вес, в 6000 раз превышающий собственный.
Весит этот материал 0,16 миллиграмм на кубический сантиметр, он в 7,5 раз легче воздуха и приблизительно в 1000 раз менее плотный, чем вода. Из всех аэрогелей графеновый наименее плотный и считается одним из самых легких твердых материалов на Земле.
У аэрогелей множество применений, от удаления нефтяных пятен с поверхности океанов до опреснения воды. Но когда дело касается гибких сенсоров или аккумуляторов, то добиться нужной прочности и упругости не получается, хотя спрос на такое сочетание качеств высок. Обычно попытки создания такого материала приводят к случайным результатам.
Ученые нашли вдохновение в растительной природе, обратив свое внимание на талию беловатую, болотное растение из Южной Америки. Несмотря на то, что ее стебель тонкий и пористый, она способна противостоять сильному ветру — благодаря микроструктуре, напоминающей решетку.
Для того чтобы скопировать ее, исследователи применили двунаправленную заморозку. Сначала частицы оксида графена растворяются в воде, которая по мере замерзания воды образует слои. Затем из слоев формируется трехмерная сеть, схожая со структурой кристалла льда. Наконец, термальное сокращение и возгонка создают графеновый аэрогель со структурой, похожей на талию беловатую.
Наконец, после серии из тысячи компрессионных тестов, ученые убедились, что полученный аэрогель способен выдержать вес, в 6000 раз превышающий собственный. После всех этих тестов его прочность составляла 85% от начальной. Это значительный прогресс по сравнению с 45% после всего 10 тестов в случае аэрогелями со случайной архитектурой.
Уникальные свойства этого материала делают его идеальным компонентом для создания умных часов, изогнутых телевизионных экранов и солнечных панелей
Сверхплотный и прочный графен изобрели ученые МТИ. Его структура позволяет ему быть на 5% плотнее и в 10 раз прочнее стали. Его можно использовать для строительства мостов или очистки воды. опубликовано econet.ru
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet
econet.ru
Три технологии в одной: аэрогель из графена, напечатанный на 3D принтере
Химики придумали новый способ получения аэрографена – необычайно легкого материала с уникальными свойствами
Когда мы говорим о чем-то легком и невесомом, то часто употребляем прилагательное «воздушный». Однако воздух все равно обладает массой, хоть и небольшой – один кубометр воздуха весит немногим более килограмма. Можно ли создать твердый материал, который занимал бы собой, к примеру, кубический метр, но при этом весил бы меньше килограмма? Такую проблему решил еще в начале прошлого века американский химик и инженер Стивен Кистлер, который известен как изобретатель аэрогеля.
Созданная с помощью 3D печати макроструктура аэрографена придает ему уникальные механические свойства, при этом материал не теряет своей «графеновой» природы. Фото: Ryan Chen/LLNL
Аэрогели представляют собой удивительно легкие материалы, обладающие к тому же заметной прочностью. Так, кубик аэрогеля может выдерживать на себе вес, в тысячу раз превышающий его собственный. Фото: Kevin Baird/Flickr
В 2013 году химики создали аэрографен – на сегодняшний день самый легкий из известных твердых материалов. Его вес в восемь раз меньше веса воздуха, который занимает тот же объем. Фото: Imaginechina/Corbis
‹
›
Наверное, у большинства читателей первая ассоциация со словом «гель» связана с каким-нибудь косметическим средством или бытовой химией. Хотя на самом деле гель – это вполне химический термин, которым называют систему, состоящую из трехмерной сетки макромолекул, своего рода каркаса, в пустотах которого находится жидкость. За счет этого молекулярного каркаса тот же гель для душа не растекается по ладони, а принимает осязаемую форму. Но назвать такой обычный гель воздушным никак нельзя – жидкость, которая составляет большую его часть, почти в тысячу раз тяжелее воздуха. Вот тут у экспериментаторов и возникла идея, как сделать ультралегкий материал.
Если взять жидкий гель, и каким-то способом убрать из него воду, заменив ее на воздух, то в результате от геля останется только каркас, который будет обеспечивать твердость, но при этом практически не иметь веса. Такой материал и получил название аэрогеля. С момента его изобретения в 1930 году среди химиков началось своего рода соревнование по созданию самого легкого аэрогеля. Долгое время для его получения использовали в основном материал на основе диоксида кремния. Плотность таких кремниевых аэрогелей составляла от десятых до сотых долей грамма на кубический сантиметр. Когда в качестве материала стали использовать углеродные нанотрубки, то плотность аэрогелей удалось уменьшить еще практически на два порядка. Например, аэрографит имел плотность 0,18 мг/см3. На сегодняшний день пальма первенства самого легкого твердого материала принадлежит аэрографену, его плотность всего 0,16 мг/см3. Для наглядности, метровый куб, сделанный из аэрографена, весил бы 160 г, что в восемь раз легче воздуха.
Однако химиками движет отнюдь не только спортивный интерес, и графен в качестве материала для аэрогелей стали использовать совсем не случайно. Сам по себе графен обладает массой уникальных свойств, которые во многом обусловлены его плоской структурой. С другой стороны, аэрогели тоже имеют особенные характеристики, одна из которых – огромная площадь удельной поверхности, которая составляет сотни и тысячи квадратных метров на грамм вещества. Такая огромная площадь возникает из-за высокой пористости материала. Совместить специфические свойства графена с уникальной структурой аэрогелей у химиков уже получилось, но исследователям из Ливерморской национальной лаборатории для создания аэрографена зачем-то понадобился еще и 3D принтер.
Для того чтобы напечатать аэрогель, сперва потребовалось создать специальные чернила на основе оксида графена. Помимо того, что из них должен получится аэрографен, надо, чтобы такие чернила были пригодны для 3D печати. Решив эту задачу, химики получили в свои руки метод, по которому можно изготавливать аэрографен с нужной микроархитектурой. Это очень важно, поскольку кроме свойств, присущих графену, такой материал будет иметь еще и интересные физические свойства. Например, тот образец, который получили авторы исследования, оказался на удивление упругим – кубик из аэрографена можно было без вреда для материала сжимать в десять раз, при этом он не терял своих свойств при повторных сжатиях-растяжениях.
Способность к многократному сжатию отличает напечатанный аэрографен от полученного «обычным» путем. Одним из практических применений нового аэрографена могут стать гибкие электрические аккумуляторы, где большая внутренняя поверхность материала будет использована в качестве электрода, в то время как напечатанная структура придаст ему нужную гибкость.
Фото: Ryan Chen/LLNL, Kevin Baird/Flickr, Imaginechina/Corbis
По материалам Nature Communications и LLNL
www.nkj.ru
