Сообщение про графеновый аэрогель
Обновлено: 04.07.2024
И аэрогель ,и графен имеют выдающиеся характеристики сами по себе . Фактически ,они находятся в некотором соревновании между тем ,что лучший материал с точки зрения проводимости, легкости и прочности .
Тем не менее полученный из них аэрографен при плотности всего 0 ,16 миллиграмма на кубический сантиметр легче гелия ,в 75 раз легче пенополистирола и в 7,5 раз легче самого воздуха (по многочисленным просьбам уточняют,что это вес самой конструкции без учета находящегося внутри воздуха ).Он настолько легкий, что его может удержать один единственный цветок .
Кроме того ,он в 10 раз прочнее стали !
Аэрографен был открыт в Чжэцзянском университете ,группа и ранее разрабатывала материалы на основе графена ,хотя все они были одномерными или двумерными веществами .Физики лиофилизировали растворы углеродных нанотрубок с оксидом графена с последующим удалением кислорода, в результате чего получился трехмерный материал. И это невероятно выдающееся достижение !
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.
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.
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.
Рис. 1. A — кирпич массой 2,5 кг на аэрогеле массой 2 г. B — демонстрация теплоизолирующих свойств аэрогеля (цветок на куске аэрогеля, лежащем над пламенем горелки). C — аэрогель после тестового обстрела частицами на Земле в процессе подготовки миссии Stardust. Фотографии с сайта stardust.jpl.nasa.gov
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.
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.
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.
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.
Рис. 2. Вверху (A, B): микроструктура композитного аэрогеля из графена и нанотрубок при разных увеличениях. Внизу (C, D): образцы аэрогеля. Фотографии из обсуждаемой статьи в Advanced Materials
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.
Рис. 3. Реакция образцов аэрогеля на повторные нагрузки и на растяжение. A — зависимость напряжения от деформации в испытаниях аэрогеля плотностью 1 мг/см 3 на повторные нагрузки при сжатии (черная линия — первый цикл, красная — десятый, синяя — 1000-й). B — испытания образца аэрогеля плотностью 1,5 мг/см 3 на растяжение. Обратите внимание, что напряжение на правом графике приведено в кПа, а на левом — в Па. При растяжении на 10% наблюдается в десятки раз большее напряжение, чем при таком же сжатии, что говорит о гораздо большей жесткости материала при растяжении. Рисунок из обсуждаемой статьи в Advanced Materials
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.
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.
Рис. 4. Абсорбция аэрогелем органических жидкостей (в данном случае — подкрашенного толуола). На каждой фотографии справа внизу отмечено время, прошедшее от момента контакта аэрогеля и жидкости. Рисунок из обсуждаемой статьи в Advanced Materials
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.
Ученые из Китая создали самый легкий в мире твердый материал - графеновый аэрогель. Он в 7,5 раз легче воздуха - его вес составляет 0,16 мг/см3.
Ученые из Китая создали самый легкий в мире твердый материал - графеновый аэрогель.
Учитывая, что плотность воздуха составляет 1,2 мг/см3 - новый материал весом 0,16 мг/см3 в 7,5 раза легче воздуха.
По словам создателей, кусок этого аэрогеля настолько невесом, что его без труда могут удержать лепестки какого-либо цветка и даже не прогнутся под ним.
Разработать такой сверхлегкий материал ученым удалось благодаря лиофилизированному процессу, устраняющему влагу из цепи углеродных нанотрубок и графена, но при этом сохраняющему все их характеристики.
Данный материал можно можно использовать для ликвидации нефтяных разливов в воде.
Производство графенового аэрогеля не потребует крупных затрат, зато отдача от него обещает быть суперэффективной.
К примеру, абсорбирующие современные материалы, которые в настоящее время применяются для сбора нефти, могут поглощать объем, в 10 раз превышающий их массу.
У нового материала этот показатель заметно выше – 1 грамм поглощает 68,8 г/сек органики.
Это в 900 раз больше своего веса.
При этом, аэрогель, поглотивший нефть, может быть технологично отделен от нефти и использоваться многократно.
В ликвидации аварийных разливов нефти потенциал графенового аэрогеля огромен.
Эволюция самых легких материалов началась с углеродных нанотрубок весом 4 мг/см3.
Затем появился аэрогель двуокиси кремния, который весил в 1 мг/см3 и получил 15 записей в Книгу рекордов Гиннесса.
Затем был микролаттикс- 0,9 мг/см3, а затем аэрографит -0,18 мг/см3.
Новый графеновый аэрогель создан учеными под руководством профессора Гао Чао в Zhejiang University.
Созданный в прошлом году материал под названием аэрографит не смог удержать титул самого легкого материала в мире. Корону пришлось отдать новому аэрогелю, изготовленному из графена, чудо-материала 21 века. Плотность ультралегкого материала ниже плотности гелия и вдвое меньше водорода.
Новый материал разработала группа исследователей под руководством профессора Гао Чао из лаборатории департамента технологий и наук полимеров Чжэцзянского университета (Китай).
Исследователи уже имеют опыт создания макроскопических графеновых материалов, в частности одномерных волокон и двухмерных пленок, полученных из графена. Чтобы поставить рекорд, им достаточно было добавить одно измерение и получить трехмерный пористый материал.
Вместо золь-гелевой технологии и других методов, используемых для создания аэрогелей, Гао применил новый способ высушивания, который помог создать углеродную губку настраиваемой формы.
Исследователи изучают возможности применения нового материала. По их словам, графеновый аэрогель можно использовать в качестве изоляционного материала, подложки катализатора или высокоэффективного композита.
Работа была опубликована в журнале Nature.
При создании гибких солнечных панелей для оклеивания зданий и окон автомобилей ученые Стэнфордского университета также использовали графен.
Читайте также: