Общая информация об аэрогеле. Графен-аэрогель: самый легкий материал в мире

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.

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.

По словам ученых, «выведенный» ими материал отличается чрезвычайно высокой прочностью и упругостью. Он способен быстро возвращать форму после сжатия, впитывать и удерживать большой объем не растворяющихся в воде веществ - до 900 раз больше собственного ве

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).

Аэрогелям, изначально созданным в 1931 году американским ученым и инженером-химиком Сэмюелем Стивенсом Кистлером, в последнее время начало уделяться очень много внимания. В 2011 году аэрогель на основе многослойных углеродных нанотрубок (MCNT), известный также под названием «замороженный дым», с плотностью 4 мг/см3 уступил место самому легкому материалу в мире с микро-решетчатой структурой, плотность которого равна 0,9 мг/см3. Позже его сместил аэрографит (0,18 мг/см3), чей триумф оказался таким же недолгим. Сегодня пальма первенства принадлежит графеновому аэрогелю. Его плотность - 0,16 мг/см3.

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.

«Необходимость использования шаблонов отсутствует, поскольку размер материала напрямую зависит от размера контейнера. Чем больше контейнер, тем больше аэрогеля. Мы можем говорить о тысячах кубических сантиметров, и это еще не предел».

По словам ученых, «выведенный» ими материал отличается чрезвычайно высокой прочностью и упругостью. Он способен быстро возвращать форму после сжатия, впитывать и удерживать большой объем не растворяющихся в воде веществ - до 900 раз больше собственного веса. В это сложно поверить, но за одну секунду грамм аэрогеля впитывает до 68,8 грамма органических веществ, что делает его привлекательным для использования в местах разлива нефти.

«Возможно, однажды он поможет предотвратить экологическую катастрофу. Благодаря эластичным свойствам материала собранная нефть и аэрогель могут быть вторично переработаны», - говорит Гао.

Исследователи изучают возможности применения нового материала. По их словам, графеновый аэрогель можно использовать в качестве изоляционного материала, подложки катализатора или высокоэффективного композита.

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!