Aerografit 75-krát ľahší ako polystyrén

17.7.2012 - svetový rekord - najľahší materiál na svete pochádza zo severného Nemecka.

Je čierny, stabilný, elektricky vodivý, tvárny a nepriehľadný - svojimi jedinečnými vlastnosťami a nízkou hustotou prekonáva uhlíkový materiál „aerografit“ všetkých konkurentov. „Náš vývoj podnecuje živé diskusie vo vedeckých kruhoch. Aerografit je viac ako štyrikrát ľahší ako predchádzajúci držiteľ svetového rekordu, “hovorí potešený Matthias Mecklenburg z Technickej univerzity v Hamburgu-Harburgu (TUHH). Niklový materiál predstavený pred šiestimi mesiacmi tiež pozostával z malého systému rúrok. Avšak od začiatku má nikel vyššiu atómovú hmotnosť. „Môžeme tiež vyrobiť trubice, ktoré pozostávajú z pórovitých stien, a sú preto mimoriadne ľahké,“ dodáva Arnim Schuchardt z Christian Albrechts University v Kieli (CAU). Kielovi analytici Lorenz Kienle a Andriy Lotnyk dokázali dešifrovať atómovú štruktúru materiálu pomocou transmisnej elektrónovej mikroskopie.

polystyrén

Obrázok: Tetrapody oxidu zinočnatého tvoria ideálny základ pre aerografit. (Obrázok: TUHH)

Napriek nízkej hustote 0,2 miligramov na kubický centimeter je aerografit veľmi odolný. Zatiaľ čo ľahké materiály zvyčajne odolávajú tlaku, ale nie ťahu, aerografit sa vyznačuje vynikajúcou stabilitou pri tlaku a zaťažení v ťahu. Môže byť stlačený až o 95 percent a stiahnutý späť do pôvodného tvaru, hovorí profesor Kiel Rainer Adelung: „Aerografit je do istej miery ešte pevnejší, a teda silnejší ako predtým.“ Ostatné materiály by cez neho prešli. také bremená sú čoraz slabšie a nestabilnejšie. „Materiál tiež takmer úplne absorbuje svetelné lúče. Dalo by sa povedať, že produkuje najčernejšiu čiernu farbu, “dodáva profesor Karl Schulte z Hamburgu.

Obrázok: Počas procesu vytvárania sa obetavý šablóna, kryštalický oxid zinočnatý (tu jasne biely), rozkladá vodíkom. Únik vodnej pary a zinku. Rúry aerografitu zostávajú. (Obrázok: TUHH)

„Aerografit si môžete predstaviť ako rýchlo rastúcu sieť brečtanu, ktorá sa vinie okolo stromu a odstraňuje samotný strom,“ vysvetľuje Adelung výrobný proces. Tento strom je známy ako „obetná šablóna“, tj znamená prostriedok na dosiahnutie cieľa. Tím CAU použil na svoju výrobu práškový oxid zinočnatý a transformoval ho do kryštalickej formy zahriatím v sušiarni na 900 stupňov Celzia.

Pri ďalšom spracovaní vyrobia vedci z kílskych materiálov akýsi tablet. V ňom hotový oxid zinočnatý formuje mikroštruktúry a nanoštruktúry, tetrapody, ktoré navzájom prenikajú a tak pevne spájajú jednotlivé častice a vytvárajú pórovitú tabletu. Tetrapody sú sieť, na základe ktorej sa vytvára aerografit.

Obrázok: Vo výslednom aerografite, najľahšom materiáli na svete, tvoria otvorené uhlíkové trubice jemnú sieť a umožňujú tak nízku hustotu až 0,2 miligramov na kubický centimeter. (Obrázok: TUHH)

V ďalšom kroku sa materiál v tvare pelety umiestni do reaktora pri 760 stupňoch Celzia na chemické vylučovanie pár na TUHH. „V tečúcej plynnej fáze obohatenej uhlíkom je oxid zinočnatý zapuzdrený v grafitovej vrstve hrubej iba niekoľko atómových vrstiev, ktorá vytvára vzájomne prepojenú sieťovú štruktúru aerografitu. Súčasne dodávaný vodík reaguje s kyslíkom v oxide zinočnatom. Vodná para a zinok unikajú ako plyn, “hovorí Schulte. Zostáva typicky zosieťovaná a rúrková uhlíková štruktúra. TUHH, mladý vedec Mecklenburg: „Čím rýchlejšie zinok v procese vylučujeme, tým sú otvory rúrok deravejšie a materiál je ľahší. Je tu ešte veľa voľného priestoru. “A jeho kolega Schuchardt z Kielu dodáva:„ Vynikajúce je, že môžeme konkrétne ovplyvňovať vlastnosti aerografitu: Neustále koordinujeme tvar šablóny tu v Kieli a proces nanášania v Hamburgu. “

Obr.: Pokročilé materiály, zväzok 24, vydanie. 26 (Wiley-VCH)

Vďaka špeciálnym materiálovým vlastnostiam aerografitu sa dal ideálne prispôsobiť napríklad v lítium-iónových batériách. To znamená, že je potrebné použiť iba minimálne množstvo elektrolytu v batérii, čo by malo viesť k významnému zníženiu hmotnosti batérií. Tieto menšie batérie je možné použiť v elektromobiloch alebo elektronických bicykloch. Materiál tak prispieva okrem iného aj k vývoju ekologických dopravných prostriedkov. Ďalšou aplikáciou by bolo vyrobiť elektricky vodivé nevodivé plasty bez výrazného zvýšenia hmotnosti. Vyhnete sa tak statickým nábojom, ktoré sú bežné v každodennom živote. Materiál tiež sľubuje veľký potenciál pri čistení vody. Ako sorbent pre perzistentné znečisťujúce látky vo vode by mohol elektrochemicky oxidovať, t. J. Rozkladať sa, a tým ich degradovať.

Ďalšie informácie

  • Pôvodná publikácia
    M. Mecklenburg a kol .: Aerografit: ultraľahký, flexibilný nanočlánok, uhlíkový mikrotrubičkový materiál s vynikajúcim mechanickým výkonom, Adv. Mater. 24, 3486-3490 (2012); DOI: 10.1002/adma.201200491
  • AG Synthesis and Real Structure (L. Kienle), Ústav materiálov, CAU Kiel
  • Aerografit: Syntéza 3d sieťovaných grafitových štruktúr (TUHH)

Aerografit je možné stlačiť až na 95 percent a potom ho znova roztiahnuť. Na rozdiel od iných materiálov to ešte zvyšuje jeho tuhosť (priemer deväť milimetrov):

Veľmi malé hmotnosti aerografitu umožňujú veľmi rýchle zmeny smeru. Najprv sa postaví, potom skočí na plastovú tyč a späť na stôl: takto zachytí Aerographite náboj z tyče a prenesie ho na stôl.