Tlačová správa Cesta je cieľ
Foto: CAU/Claudia Eulitz
„Jásanie“, Matthias Mecklenburg sa ponáhľal k profesorovi Karlovi Schulteovi. Dôvod jeho eufórie: Mladý vedec práve objavil pod mikroskopom zmenu skúmaného materiálu, ktorá doktorandovi hamburského štátneho klastra excelentnosti „Integrated Material Systems“ priniesla priekopnícky nápad. To bol deň v septembri 2010. Tento týždeň majú doktorand a jeho doktorský profesor profesor Karl Schulte spolu so svojimi kolegami z tímu vedcov vedených profesorom Rainerom Adelungom z Christian Albrechts University v Kieli (CAU) najľahší materiál na svete Svet predstavený: „aerografit“. Senzačné výsledky výskumu vedcov z Hamburgu a Kielu sú titulným príbehom v odbornom časopise „Advanced Materials“ (3. júla) a odvtedy sa stali celonárodnými titulkami v médiách. Aerografit by mohol byť užitočný pre elektrické automobily a elektrobicykle, mohol by sa tiež použiť v leteckej a satelitnej elektronike a na čistenie vody.
Náhoda alebo výsledok cieleného vyhľadávania? „Hľadali sme trojrozmerne prepojené uhlíkové štruktúry a práve vtedy sme objavili tento materiál,“ hovorí Schulte. Renomovaný výskumník materiálov patrí do skupiny vedcov, ktorí tiež uskutočňujú základný výskum inovatívnych materiálov v oblasti spoločného výskumu „Customized multi-scale material systems“ schválenej Nemeckou výskumnou nadáciou na TUHH v máji.
"Náš vývoj podnecuje živé diskusie vo vedeckých kruhoch. Aerografit je viac ako štyrikrát ľahší ako predchádzajúci držiteľ svetového rekordu," hovorí mladý vedec Matthias Mecklenburg. Tento niklový materiál, ktorý bol predstavený pred šiestimi mesiacmi a bol považovaný za najľahší materiál až do súčasnej publikácie, pozostával tiež 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, spoluautor a doktorand na CAU. Analytici Kielu, profesor Lorenz Kienle a Dr. Dešifrovanie Andriyho Lotnyka pomocou transmisného elektrónového mikroskopu.
„Aerografit si môžete predstaviť ako rýchlo rastúcu sieť brečtanu, ktorá sa vinie okolo stromu a odstraňuje samotný strom,“ vysvetľuje Adelung výrobný proces. Strom je takzvaná obetná šablóna, to znamená prostriedok k dosiahnutiu cieľa. Tím CAU v zložení Arnim Schuchardt, Rainer Adelung, Yogendra Mishra a Sören Kaps použil na výrobu šablóny práškový oxid zinočnatý. Tú preniesli 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 vytvára mikroštruktúry a nanostruktúry, ktoré sa nazývajú tetrapody (pozri napríklad obrázok 4), ktoré prenikajú navzájom a tým pevne spájajú jednotlivé častice a vytvárajú pórovitú tabletu. Tetrapody sú sieť, na základe ktorej sa vytvára aerografit.
Matthias Mecklenburg, Yogendra Kumar Mishra, Arnim Schurchardt, Lorenz Kienle, Karl Schulte, Sören Kaps, Rainer Adelung. (nie je na obrázku: spoluautor Andriy Lotnyk).
Foto: CAU/Claudia Eulitz
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, ktorá je hrubá iba niekoľko atómových vrstiev a vytvára tak 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. Stále zostáva veľa voľnosti." A jeho kolega Schuchardt z Kielu dodáva: „Príjemné je, že môžeme konkrétne ovplyvňovať vlastnosti aerografitu: Neustále koordinujeme tvar šablóny tu v Kieli a proces nanášania v Hamburgu.“
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. Autori už načrtli toto použitie v nedávno publikovanej publikácii. Tieto menšie batérie je možné použiť v elektromobiloch alebo elektronických bicykloch. Materiál tak prispieva okrem iného aj k vývoju ekologických dopravných prostriedkov.
Vedci vidia ďalšie možnosti výroby elektricky vodivých nevodivých plastov pomocou aerografitu bez toho, aby priberali. Týmto spôsobom sa dá zabrániť statickým nábojom, ktoré sú známe z každodenného života.
Počet ďalších aplikácií na najľahší materiál na svete je v súčasnosti obmedzený iba predstavivosťou vedcov. Len čo sa o aerografite dozvedeli, nápady sa iskrili aj medzi kolegami z rôznych oddelení. Uvažuje sa o použití v leteckej a satelitnej elektronike, pretože tieto musia odolávať obzvlášť veľkým vibráciám. Materiál má tiež 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. Do úvahy by prichádzali výhody aerografitu, mechanickej stability, elektrickej vodivosti a veľkého povrchu. Tieto výhody sú užitočné aj pri potenciálnom čistení vonkajšieho vzduchu pre inkubátory alebo ventilátory.
V súčasnosti sa ešte stále vykonáva základný výskum. Môže trvať ďalších desať až 30 rokov, kým sa použijú v priemyselnej výrobe.
Viac informácií na:
Pôvodná publikácia: „Aerografit: Ultra ľahký, flexibilný nanočlánok, materiál z uhlíkových mikroskúmaviek s vynikajúcim mechanickým výkonom“; DOI: 10.1002/adma.201200491
Ilustrácie a iný materiál sú k dispozícii na stiahnutie:
Titulok: Obrázok zobrazuje časť elektrónového mikroskopu z najľahšieho materiálu na svete: aerografitu. Otvorené uhlíkové trubice vytvárajú jemnú sieť a umožňujú tak nízku hustotu až 0,2 miligramov na kubický centimeter.
Titulok: V reaktore pri teplotách nad 760 stupňov Celzia uniká plynný zinok a vodná para. Na obrázku: Oxid zinočnatý je stále viditeľný v tmavých oblastiach. Zostáva grafitová škrupina (svetlé oblasti).
Titulok: Počas procesu vytvárania sa vodíkom rozkladá takzvaný obetný šablóna, kryštalický oxid zinočnatý (tu silne biely). Únik vodnej pary a zinku. Rúry aerografitu zostávajú.
Titulok: Tetrapody oxidu zinočnatého tvoria ideálny základ pre robustný aerografit.
Titulok: Takmer hotový aerografit: Fascinujúce štruktúry s neuveriteľným potenciálom, napríklad pri výrobe batérií.
Popis: Aerografit je vodoodpudivý, čierny ako čierny (v súčasnosti sa to vyšetruje) a elektricky vodivý.
Titulok: 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).
Titulok: 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.
Ďalšie fotografie z prezentácie aerografitu budú sprístupnené po tlačovej konferencii.