Аэрографен

Аэрографен или графеновый аэрогель - наименее плотное твердое вещество, известное из существующих, его плотность составляет 160 г/м. ³ (0,0100 фунтов/куб футов; 0,16 мг/см ³ ; 4,3 унции/куб. ярд). Сообщается, что материал может производиться в объеме кубических метров.

Открытие

Аэрографен был открыт в Чжэцзянском университете группой учёных под руководством Гао Чао. Он и его команда уже успешно создали макроскопические материалы из графена . Эти материалы были одномерными и двумерными . Однако при синтезе аэрографена ученые вместо этого создали трехмерную структуру. Синтез осуществлялся путем лиофилизации растворов углеродных нанотрубок . и большое количество оксида графена . Остаточный кислород затем удаляли химическим путем.

Изготовление

Графеновые аэрогели представляют собой синтетические материалы, обладающие высокой пористостью и низкой плотностью. Типичный синтез графеновых аэрогелей включает восстановление раствора предшественника оксида графена с образованием графенового гидрогеля. Растворитель впоследствии можно удалить из пор путем сушки вымораживанием и замены воздухом. Полученная структура состоит из сети ковалентно связанных листов графена, окружающих большие воздушные карманы, что приводит к плотности порядка 3 мг · см. ⁻³ .

Также было продемонстрировано, что морфологию графеновых аэрогелей можно контролировать с помощью методов 3D-печати . Чернила на основе оксида графена, состоящие из оксида графена, загущенного в вязком растворе, с добавлением диоксида кремния для снижения вязкости и обеспечения возможности печати чернил на основе оксида графена. Затем чернила выдавливаются из сопла в изооктан, который предотвращает слишком быстрое высыхание чернил. Впоследствии растворитель можно удалить сушкой вымораживанием, а кремнезем можно удалить раствором плавиковой кислоты. Полученная трехмерная решетка может быть высокоупорядоченной, сохраняя при этом большую площадь поверхности и низкую плотность, характерную для графеновых аэрогелей.

Механические свойства

Графеновые аэрогели обладают улучшенными механическими свойствами благодаря своей структуре и морфологии. Графеновые аэрогели имеют модуль Юнга порядка 50 МПа. Их можно упруго сжимать до значений деформации > 50%. Жесткость и сжимаемость графеновых аэрогелей можно частично объяснить прочными sp ₂ -связями графена и π-π-взаимодействием между углеродными листами. В графеновых аэрогелях π-π-взаимодействие может значительно повысить жесткость из-за сильно изогнутых и складчатых областей графена, как это наблюдается на изображениях просвечивающей электронной микроскопии .

Было показано, что механические свойства графенового аэрогеля зависят от микроструктуры и, следовательно, различаются в зависимости от исследования. Роль микроструктуры в механических свойствах зависит от нескольких факторов. Компьютерное моделирование графеновых аэрогелей показывает, что стенки графена изгибаются при приложении растягивающего или сжимающего напряжения. Результирующее распределение напряжений в результате изгиба стенок графена является изотропным и может способствовать наблюдаемому высокому пределу текучести. Плотность аэрогеля также может существенно влиять на наблюдаемые свойства. Вычислительно показано, что нормализованный модуль Юнга подчиняется степенному закону распределения, определяемому следующим уравнением:

${\frac {E}{E_{s}}}=\left({\frac {\rho }{\rho _{s}}}\right)^{m}$

где Е — модуль Юнга,

Точно так же предел прочности при сжатии, который описывает предел текучести до пластической деформации при сжатии в графеновых аэрогелях, подчиняется степенному закону распределения.

${\frac {\sigma _{y}}{E_{s}}}=\left({\frac {\rho }{\rho _{s}}}\right)^{n}$

где σ _y — прочность на сжатие, ρ — плотность графенового аэрогеля, E _s — модуль графена, ρ _s — плотность графена, а n — масштабный коэффициент по степенному закону, который описывает систему, отличную от наблюдаемого показателя степени. в модуле. Наблюдаемая степенная зависимость согласуется с тенденциями между плотностью, модулем и прочностью на сжатие, наблюдаемыми в экспериментальных исследованиях графеновых аэрогелей.

Как расчетно, так и экспериментально было показано, что макроскопическая геометрическая структура аэрогеля влияет на наблюдаемые механические свойства. 3D-печатные периодические структуры гексагонального графенового аэрогеля продемонстрировали на порядок больший модуль упругости по сравнению с объемными графеновыми аэрогелями той же плотности при нанесении вдоль вертикальной оси. Зависимость жесткости от структуры обычно наблюдается и в других клеточных структурах.

Приложения

Из-за высокой пористости и низкой плотности графеновый аэрогель рассматривался в качестве потенциальной замены летным воздушным шарам. Большая степень восстанавливаемой сжимаемости и общая жесткость структуры была использована в исследованиях графеновых губок, способных удерживать жидкость, в 1000 раз превышающую ее вес, и при этом восстанавливать всю поглощенную жидкость без структурного повреждения губки из-за эластичности графена. структура. Это имеет экологические последствия, потенциально способствуя очистке шельфа от нефти. Его также можно использовать для сбора пыли с хвостов комет .

См. также

• Аэрогель
• Аэрографит
• Графеновая пена
• Металлическая микрорешетка