Сеть из пористых углеродных трубок, трехмерно переплетенных на нано- и микроуровне - это самый легкий материал в мире. Он весит всего 0,2 миллиграмма на кубический сантиметр и поэтому в 75 раз легче пенополистирола, но, тем не менее, он очень прочный. Ученые Кильского университета (KU) и Гамбургского технологического университета (TUHH) назвали свое совместное творение «Аэрографит».
Научные результаты опубликованы в научном журнале Advanced Materials 3 июляrd.
Свойства
Он угольно-черный, остается стабильным, электропроводным, пластичным и непрозрачным. Благодаря этим уникальным свойствам и очень низкой плотности углеродный материал «Аэрографит» явно превосходит все аналогичные материалы. «Наша работа вызывает большие дискуссии в научном сообществе. Аэрографит весит в четыре раза меньше, чем предыдущий мировой рекордсмен», - говорит Матиас Мекленбург, соавтор и аспирант TUHH. До сих пор самый легкий материал в мире, никелевый материал, который был представлен публике. около полугода назад тоже сконструировали из крохотных трубочек. Только никель имеет более высокую атомную массу, чем углерод. «Кроме того, мы можем производить трубки с пористыми стенками. Это делает их очень легкими», - добавляет Арним Шухард, соавтор и аспирант Кильского университета. Профессор Лоренц Кинле и доктор Андрей Лотник смогли расшифровать атомную структуру материала с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ).).
Несмотря на небольшой вес, Aerographite обладает высокой устойчивостью. В то время как легкие материалы обычно выдерживают сжатие, но не растяжение, аэрографит обладает обеими характеристиками: отличной нагрузкой на сжатие и растяжение. По словам профессора Райнера Аделунга из Кильского университета, он может быть сжат до 95 процентов и возвращен в исходную форму без каких-либо повреждений. «До определенного момента Aerographite станет еще более твердым и, следовательно, прочнее, чем раньше», - отмечает он. Другие материалы становятся более слабыми и менее устойчивыми при воздействии такого напряжения. «Кроме того, новый материал почти полностью поглощает световые лучи. Можно сказать, что он создает самый черный цвет», - признает гамбургский профессор Карл Шульте.
Сооружение
«Представьте себе Aerographite как паутину плюща, которая обвивается вокруг дерева. А затем уберите дерево», - описывает процесс строительства Аделунг. «Дерево» - это так называемый жертвенный шаблон, средство для достижения цели. Команда Киля, состоящая из Арнима Шухардта, Райнера Аделунга, Йогендры Мишры и Сёрена Капса, использовала оксид цинка в виде порошка. При нагревании до 900 градусов Цельсия он превратился в кристаллическую форму.
Из этого материала ученые из Киля сделали своеобразную таблетку. В нем оксид цинка образовывал микро- и наноструктуры, так называемые тетраподы. Они переплетаются и образуют стабильную совокупность частиц, образующих пористую таблетку. Таким образом четвероногие создают сеть, которая является основой для Aerographite.
На следующем этапе таблетка помещается в реактор химического осаждения из паровой фазы в TUHH и нагревается до 760 градусов Цельсия. «В потоке газовой атмосферы, обогащенной углеродом, оксид цинка снабжается графитовым покрытием, состоящим всего из нескольких атомных слоев. Это формирует стержневые структуры аэрографита. Одновременно вводится водород. кислорода в оксиде цинка и приводит к выделению пара и газообразного цинка», - продолжает Шульте. Остатки представляют собой характерную переплетенную трубчатую углеродную структуру. Ученый TUHH из Мекленбурга: «Чем быстрее мы извлекаем цинк, тем более пористыми становятся стенки трубы и тем легче становится материал. Это открывает широкие возможности». Шухард добавляет: «Самое замечательное то, что мы можем влиять на характеристики аэрографита; форма шаблона и процесс разделения постоянно корректируются в Киле и Гамбурге».
Приложение
Благодаря своим уникальным характеристикам материала Aerographite подходит для электродов литий-ионных аккумуляторов. В этом случае потребуется минимальное количество электролита батареи, что приведет к значительному снижению веса батареи. Эта цель была намечена авторами в недавно опубликованной статье. Области применения этих небольших батарей могут быть электронными автомобилями или электронными велосипедами. Таким образом, материал способствует развитию экологически чистых транспортных средств.
По мнению ученых, дальнейшими областями применения может быть электропроводность синтетических материалов. Непроводящий пластик можно трансформировать, не заставляя его набирать вес. Таким образом, можно было бы избежать статики, с которой ежедневно сталкивается большинство людей.
Количество возможных областей применения самого легкого материала в мире безгранично. После официального признания «Аэрографита» ученые различных направлений исследований загорелись идеями. Одной из возможностей может быть использование в электронике для авиации и спутников, поскольку они должны выдерживать сильные вибрации. Кроме того, этот материал может быть многообещающим помощником в очистке воды. Он может действовать как адсорбент для стойких загрязнителей воды, поскольку он может окислять или разлагать их и удалять. Здесь ученые выиграют от преимуществ аэрографита, а именно механической стабильности, электронной проводимости и большой поверхности. Другой возможностью может быть очистка окружающего воздуха для инкубаторов или вентиляции.