Графеновый аэрогель: новый рекорд лёгкости, новое слово в нанотехнологиях.
Аэроге́ли (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и отсутствием водопоглощения.
Общий вид аэрогеля
Аэрогель уникален еще и тем, что на 99.8% состоит из… воздуха!
Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.
Аэрогель - весьма необычное творение человеческих рук, материал, удостоенный за свои уникальные качества 15 позициями в книге рекордов Гиннеса.
Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 % объёма. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.
На ощупь Аэрогели напоминают легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. Аэрогели, в особенности кварцевые — хорошие теплоизоляторы.
Кварцевые Аэрогели наиболее распространены, им также принадлежит текущий рекорд по самой малой плотности у твердых тел — 1,9 кг/м³, это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха.
Кварцевые Аэрогели также популярны благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (~0,017 Вт/(м.К) в воздухе при нормальном атмосферном давлении), меньшей, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м.К)).
Применение Аэрогеля
Аэрогели применяются в строительстве и в промышленности в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов для теплоизоляции стальных трубопроводов,различного оборудования с высоко- и низкотемпературными процессами, зданий и других объектов. Он выдерживает температуру до 650°C, а слоя толщиной 2,5 см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от прямого воздействия паяльной лампы.
Температура плавления кварцевого Аэрогеля составляет 1200°C.
Производство Аэрогеля
Процесс производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических реакций гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и на выходе получается желеобразный продукт. Затем спиртом из желе удаляется вода. Полное ее удаление - залог успешности всего процесса. Следующий шаг - "суперкритическое" высыхание. Оно производится в автоклаве при высоком давлении и температуре, в процессе участвует сжиженный углекислый газ.
Первенство в изобретении аэрогеля признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшего в 1931 году в журнале Nature свои результаты.
Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240°C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не ужимаясь.
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.
Болотное растение под названием талия беловатая (Thalia dealbata ) вдохновило исследователей на создание нового вида аэрогеля . Напомним, что к этому классу относятся материалы, представляющие собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность.
Из-за уникальных свойств использование аэрогелей становится всё шире: от улучшения работы до .
Для гибкой электроники и носимых датчиков аэрогели также представляются незаменимыми. Однако до недавних пор главной проблемой для учёных было соединение в одном материале таких качеств, как прочность и эластичность.
Команде под руководством Хао Бай (Hao Bai) из Чжэцзянского университета (Китай) удалось найти решение , и помогло им в этом болотное растение. Талия беловатая привлекла внимание исследователей тем, что способна противостоять даже очень сильным ветрам: её стебли невероятно гибкие и в то же время прочные.
Именно это и нужно было специалистам для создания нового материала, поэтому они попытались в лабораторных условиях воспроизвести структуру стебля растения. "Прочность и упругость обычно являются взаимоисключающими в обычных аэрогелях. На такие материалы существует огромный спрос во многих областях, но совместить оба свойства в одном материале крайне сложно", — объясняет Бай.
Сложно, но возможно, если использовать технологию двунаправленной заморозки. Сперва исследователи подвергли диспергированию в воде частицы оксида графена. Когда жидкость замерзала, образовывались листы, а после полного замораживания всех листов они вместе образовали трёхмерную сеть, похожую по структуре на кристаллы льда. Затем последовало термическое восстановление и сублимация, в результате на выходе эксперты получили аэрогель, по структуре напоминающий пористые стебли талии беловатой.
Получившийся материал в 7,5 раз легче воздуха и примерно в 1000 раз плотнее воды. Кстати, именно новый графеновый аэрогель теперь претендует на звание самого лёгкого твёрдого материала на Земле, отметили разработчики в интервью порталу ScienceAlert .
Материал уже прошёл серию тестов, которые показали: он способен выдерживать вес, в шесть тысяч раз превышающий его собственный. После тысячи сжимающих циклов аэрогель неизменно возвращался в исходное состояние и сохранил при этом 85% от своей первоначальной прочности (которую имел до применения компрессии). Для сравнения: большинство аэрогелей со стандартной структурой сохраняют 45% от их первоначальной прочности после десяти сжимающих циклов.
"Изучение природы всегда даёт идеи для разработки новых материалов и технологий. Аэрогель из графена отличается от современных аэрогелей как в микроструктурах, так и в свойствах", — заключает Бай.
Он и его коллеги уверены: уникальные свойства материала сделают его идеальным компонентом для гибкой электроники - сегодня это системы "умных" домов, панели солнечных батарей, изогнутые экраны телевизоров и гибкие телефоны, а также многое другое.
Кстати, ранее инженеры представили , которые помогут получить питьевую воду из морской.
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/см 3 . На сегодняшний день пальма первенства самого легкого твердого материала принадлежит аэрографену, его плотность всего 0,16 мг/см 3 . 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.
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.
