Aerografit de 75 de ori mai ușor decât styrofoam

17.07.2012 - record mondial - cel mai ușor material din lume provine din nordul Germaniei.

Este de culoare neagră, stabilă, conductivă electric, maleabilă și opacă - cu proprietățile sale unice și densitatea redusă, materialul carbonic „aerografit” depășește toți concurenții. „Dezvoltarea noastră declanșează discuții pline de viață în cercurile științifice. Aerografitul este de mai mult de patru ori mai ușor decât deținătorul record mondial anterior ”, spune un fericit Matthias Mecklenburg de la Universitatea Tehnică din Hamburg-Harburg (TUHH). Materialul de nichel prezentat în urmă cu șase luni a constat, de asemenea, dintr-un mic sistem de tuburi. Cu toate acestea, de la început, nichelul are o greutate atomică mai mare. „Putem produce, de asemenea, tuburi care constau din pereți poroși și, prin urmare, sunt extrem de ușori”, adaugă Arnim Schuchardt de la Christian Albrechts University din Kiel (CAU). Analiștii Kiel Lorenz Kienle și Andriy Lotnyk au reușit să descifreze structura atomică a materialului folosind microscopia electronică de transmisie.

oxidul zinc

Fig.: Tetrapodele de oxid de zinc formează baza ideală pentru aerografit. (Imagine: TUHH)

În ciuda densității reduse de 0,2 miligrame pe centimetru cub, aerografitul este foarte rezistent. În timp ce materialele ușoare pot rezista de obicei la presiune, dar nu la tensiune, aerografitul se caracterizează prin stabilitatea sa excelentă sub presiune și sarcini de tracțiune. Acesta poate fi comprimat cu până la 95 la sută și tras înapoi în forma sa originală, spune profesorul Kiel Kiel Rainer Adelung: „Aerografitul este chiar mai ferm într-o anumită măsură și, prin urmare, mai puternic decât înainte.” Alte materiale ar trece prin astfel de încărcături devin din ce în ce mai slabe și mai instabile. „Materialul absoarbe razele de lumină aproape complet. Ai putea spune că creează cel mai negru negru ”, adaugă profesorul Karl Schulte din Hamburg.

Fig.: În timpul procesului de creație, șablonul sacrificial, oxidul de zinc cristalin (aici puternic alb), este descompus de hidrogen. Vapori de apă și zinc scapă. Tuburile aerografitului rămân. (Imagine: TUHH)

„Vă puteți gândi la aerografit ca la o rețea de iederă în creștere rapidă, care se învârte în jurul unui copac, îndepărtându-l în sine”, spune Adelung, explicând procesul de fabricație. Arborele este așa-numitul „șablon de sacrificiu”, adică mijloacele pentru un scop. Echipa CAU a folosit un oxid de zinc praf pentru producerea sa și l-a transformat într-o formă cristalină încălzindu-l într-un cuptor la 900 de grade Celsius.

În procesarea ulterioară, oamenii de știință din Kiel produc un fel de tabletă. În acesta, oxidul de zinc finit formează micro și nanostructuri, tetrapodele, care pătrund reciproc și astfel conectează ferm particulele individuale pentru a forma tableta poroasă. Tetrapodele sunt rețeaua pe baza căreia este creat aerografitul.

Fig.: În aerografitul rezultat, cel mai ușor material din lume, tuburile deschise de carbon formează o rețea fină și permit astfel o densitate scăzută de până la 0,2 miligrame pe centimetru cub. (Imagine: TUHH)

În etapa următoare, materialul în formă de peletă este plasat în reactor la 760 grade Celsius pentru depunerea chimică a vaporilor la TUHH. „Într-o fază gazoasă care curge, îmbogățită cu carbon, oxidul de zinc este învelit într-un strat de grafit de numai câteva straturi atomice gros, care formează structura rețelei crescute a aerografitului. Hidrogenul furnizat în același timp reacționează cu oxigenul din oxidul de zinc. Vaporii de apă și zincul scapă ca gaz ”, spune Schulte. Ceea ce rămâne este structura carbonică tipic reticulată și tubulară. Tânărul om de știință TUHH Mecklenburg: „Cu cât scoatem zincul mai repede în procesul nostru, cu atât pereții tuburilor sunt mai găuriți și cu atât materialul devine mai ușor. Există încă multă libertate. ”Și colegul său Schuchardt de la Kiel adaugă:„ Marele lucru este că putem influența în mod specific proprietățile aerografite: coordonăm constant forma șablonului aici la Kiel și procesul de depunere la Hamburg. ”

Fig.: Advanced Materials Vol. 24, Iss. 26 (Wiley-VCH)

Datorită proprietăților speciale ale materialului aerografit, acesta ar putea fi adaptat în mod ideal, de exemplu, în bateriile Li-ion. Aceasta înseamnă că trebuie utilizată doar o cantitate minimă de electroliți ai bateriei, ceea ce ar trebui să ducă la o reducere importantă a greutății bateriilor. Aceste baterii mai mici pot fi utilizate în mașinile electrice sau bicicletele electrice. Materialul contribuie astfel la dezvoltarea mijloacelor de transport ecologice. O altă aplicație ar fi ca materialele plastice neconductoare să fie conductoare electric fără o creștere semnificativă a greutății. În acest fel, pot fi evitate sarcinile statice care sunt familiare din viața de zi cu zi. Materialul promite, de asemenea, un mare potențial în purificarea apei. Ca sorbent pentru poluanții persistenți ai apei, ar putea să se oxideze electrochimic, adică să se descompună și astfel să-i degradeze.

Informatii suplimentare

  • Publicație originală
    M. Mecklenburg și colab.: Aerografit: Ultra ușor, Nanowall flexibil, material din microtuburi de carbon cu performanțe mecanice remarcabile, Adv. Mater. 24, 3486-3490 (2012); DOI: 10.1002/adma.201200491
  • Sinteza și structura reală (L. Kienle), Institutul pentru Știința Materialelor, CAU Kiel
  • Aerografit: Sinteza structurilor de grafit în rețea 3d (TUHH)

Aerografitul poate fi comprimat până la 95% și apoi separat din nou. Spre deosebire de alte materiale, devine chiar din ce în ce mai rigid (diametru nouă milimetri):

Masele foarte mici ale aerografitului permit schimbări de direcție foarte rapide. Mai întâi se ridică, apoi sare pe tija de plastic și se întoarce pe masă: astfel Aerographite preia sarcina de pe tijă și o transferă pe masă.