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.
Химики придумали новый способ получения аэрографена – необычайно легкого материала с уникальными свойствами
Когда мы говорим о чем-то легком и невесомом, то часто употребляем прилагательное «воздушный». Однако воздух все равно обладает массой, хоть и небольшой - один кубометр воздуха весит немногим более килограмма. Можно ли создать твердый материал, который занимал бы собой, к примеру, кубический метр, но при этом весил бы меньше килограмма? Такую проблему решил еще в начале прошлого века американский химик и инженер Стивен Кистлер, который известен как изобретатель аэрогеля.
Созданная с помощью 3D печати макроструктура аэрографена придает ему уникальные механические свойства, при этом материал не теряет своей «графеновой» природы. Фото: Ryan Chen/LLNL
Аэрогели представляют собой удивительно легкие материалы, обладающие к тому же заметной прочностью. Так, кубик аэрогеля может выдерживать на себе вес, в тысячу раз превышающий его собственный. Фото: Kevin Baird/Flickr
В 2013 году химики создали аэрографен – на сегодняшний день самый легкий из известных твердых материалов. Его вес в восемь раз меньше веса воздуха, который занимает тот же объем. Фото: Imaginechina/Corbis
Наверное, у большинства читателей первая ассоциация со словом «гель» связана с каким-нибудь косметическим средством или бытовой химией. Хотя на самом деле гель – это вполне химический термин, которым называют систему, состоящую из трехмерной сетки макромолекул, своего рода каркаса, в пустотах которого находится жидкость. За счет этого молекулярного каркаса тот же гель для душа не растекается по ладони, а принимает осязаемую форму. Но назвать такой обычный гель воздушным никак нельзя – жидкость, которая составляет большую его часть, почти в тысячу раз тяжелее воздуха. Вот тут у экспериментаторов и возникла идея, как сделать ультралегкий материал.
Если взять жидкий гель, и каким-то способом убрать из него воду, заменив ее на воздух, то в результате от геля останется только каркас, который будет обеспечивать твердость, но при этом практически не иметь веса. Такой материал и получил название аэрогеля. С момента его изобретения в 1930 году среди химиков началось своего рода соревнование по созданию самого легкого аэрогеля. Долгое время для его получения использовали в основном материал на основе диоксида кремния. Плотность таких кремниевых аэрогелей составляла от десятых до сотых долей грамма на кубический сантиметр. Когда в качестве материала стали использовать углеродные нанотрубки, то плотность аэрогелей удалось уменьшить еще практически на два порядка. Например, аэрографит имел плотность 0,18 мг/см 3 . На сегодняшний день пальма первенства самого легкого твердого материала принадлежит аэрографену, его плотность всего 0,16 мг/см 3 . Для наглядности, метровый куб, сделанный из аэрографена, весил бы 160 г, что в восемь раз легче воздуха.
Однако химиками движет отнюдь не только спортивный интерес, и графен в качестве материала для аэрогелей стали использовать совсем не случайно. Сам по себе графен обладает массой уникальных свойств, которые во многом обусловлены его плоской структурой. С другой стороны, аэрогели тоже имеют особенные характеристики, одна из которых – огромная площадь удельной поверхности, которая составляет сотни и тысячи квадратных метров на грамм вещества. Такая огромная площадь возникает из-за высокой пористости материала. Совместить специфические свойства графена с уникальной структурой аэрогелей у химиков уже получилось, но исследователям из Ливерморской национальной лаборатории для создания аэрографена зачем-то понадобился еще и 3D принтер.
Для того чтобы напечатать аэрогель, сперва потребовалось создать специальные чернила на основе оксида графена. Помимо того, что из них должен получится аэрографен, надо, чтобы такие чернила были пригодны для 3D печати. Решив эту задачу, химики получили в свои руки метод, по которому можно изготавливать аэрографен с нужной микроархитектурой. Это очень важно, поскольку кроме свойств, присущих графену, такой материал будет иметь еще и интересные физические свойства. Например, тот образец, который получили авторы исследования, оказался на удивление упругим – кубик из аэрографена можно было без вреда для материала сжимать в десять раз, при этом он не терял своих свойств при повторных сжатиях-растяжениях.
Его изобрела группа ученых под руководством китайского профессора Гао Чао из Чжэцзянского университета и это произвело фурор в научном мире. Графен – невероятно легкий материал сам по себе – широко используется современными нанотехнологиями. И ученым из него удалось получить пористый материал – самый легкий в мире.
Изготовлен графеновый аэрогель тем же способом, что и другие аэрогели – сублимационной сушкой. Пористая губка из углеродисто-графенового материала почти полностью копирует любые формы, а значит, количество аэрогеля зависит лишь от объема емкости.
По химическим свойствам аэрогель обладает плотностью ниже водорода и гелия. Учеными подтверждаются и его высокая прочность, высокая упругость. И это несмотря на то, что графеновый аэрогель впитывает и удерживает объемы органических веществ почти в 900 раз больше своей массы! 1 грамм аэрогеля может впитать буквально за секунду 68,8 граммов любого вещества, нерастворимого в воде. Это поражает воображение и возможно совсем скоро все бары на poeli.ru и все отели будут использовать этот материал в каких-то своих целях для привлечения посетителей.
Еще одно свойство нового материала весьма заинтересовало экологическое сообщество – это способность графеновой губки впитывать в себя органические вещества, что поможет в ликвидации последствий техногенных аварий.
Потенциальное свойство графена, как катализатора химических реакций, задумано использовать в системах аккумулирования и при изготовлении сложных композитных материалов.
Аэрографит вытеснен с позиции самого лёгкого твёрдого вещества новой формой аэрогеля.
Исследование аэрогелей продолжается и учёные постоянно создают всё более невесомые его разновидности. В 1931 году был синтезирован аэрогель на основе карбоновых нанотруб. Плотность этого вещества составляет 4 миллиграмма на кубический сантиметр. Более 80 лет он считался самым лёгким из твёрдых веществ. На смену ему пришёл силикатный аэроглель (о котором уже как-то было ). Вещество, 1 кубический сантиметр которого весит 1 мг, заняло сразу 15 позиций в книге рекордов Гиннесса, а за свой голографический врешний вид получило название "замороженный дым". Позже в этой гонке его опередили металлические микрорешетки с плотностью 0,9 мг/см 3 , но и они вскоре были вытеснены с пьедестала аэрографитом (0,18 мг/см 3).
Металлические микрорешетки и аэрографит
Аэрографит удерживал титул самого легкого материала в последние годы. Он легче воздуха в шесть раз, один кубический сантиметр этого вещества весит 0,18 миллиграмма. Когда аэрографит был официально задокументирован и признан – это действительно было великое открытие. Но, триумф оказался недолог.
В этом месяце группа ученых из китайского университета Чжецзян смогла побить рекорд легкости, установленый аэрографитом. Новое открытие – это пористая субстанция, состоящая из графена и углеродных нанотруб, получаемая в результате сублимационной сушки их раствора. Материал получил название «графен-аэрогель». Его плотность - 0,16 мг/см 3 . Это в два раза больше плотности водорода и в семь с половиной раз меньше плотности воздуха.
Если кого-то беспокоит, почему все эти славные вещества при таком весе не улетают, можете успокоить себя тем же, чем и я. Мне это тоже показалось странным или, во всяком случае, контринтуитивным, но так говорил каждый ресурс, писавший об этих аэрогелях. К тому же, в Вики тоже такие показатели. Плотность воздуха - 1,2 мг/см 3 , плотность героя сюжета - 0,16. Устав перепроверять, я успокоила себя тем, что аэрогели пористые и при подсчёте плотности явно исключили вес воздуха внутри них. Так, вес кубического сантиметра металлической микрорешетки без воздуха - 0,9. С воздухом - 2,2 мг. Кажется, сошлось. Фух.
По словам одного из ведущих исследователей, метод сублимационной сушки также делает возможным массовое, а не лабораторное производство аэрографена.
Ужасненькое видео о нём:
Теперь, когда весь мир узнал о создании нового самого легкого материала, предлагаются множество идей его использования. Одна из самых популярных идей – это очистка разливов нефти. Графен-аэрогель сможет поглощать в себя нефть и воду в количестве, превышающий свой вес в 900 раз. А также поглощенные нефть и вода, и сам графен-аэрогель, могут быть использованы заново в дальнейшем. Исследователи трудятся усердно над дальнейшей разработкой материала и возможностями его применения.
Источники:
Начиная с 2011-го года, учёными было разработано несколько инновационных материалов, которым по очереди принадлежало звание «самый лёгкий материал на планете». Сначала аэрогель на основе углеродных нанотрубок (4 мг/см3), затем материал с микро-решётчатой структурой (0,9 мг/см3), потом аэрографит (0,18 мг/см3). Но сегодня пальма первенства самого лёгкого материала принадлежит графеновому аэрогелю, плотность которого составляет 0,16 мг/см3.
Это открытие, принадлежащее группе учёных из Чжэцзянского университета (Китай) под руководством профессора Гао Чао, вызвало настоящий фурор в современной науке. Графен сам по себе является необычайно лёгким материалом, который широко применяется в современных нанотехнологиях. Сначала учёные при помощи него создали графеновые волокна одномерного типа, потом двухмерные графеновые ленты, и вот сейчас к графену было добавлено третье измерения, в результате чего и был получен пористый материал, ставший самым лёгким материалом в мире.
Метод получения пористого материала из графена называется сублимационной сушкой. Таким же образом получают и другие аэрогели. Пористая углеродисто-графеновая губка способна почти полностью повторять любые заданные ей формы. Другими словами, количество изготавливаемого графенового аэрогеля зависит исключительно от объёма контейнера.
Учёные смело заявляют и о таких его качествах, как высокая прочность, упругость. При этом гарфеновый аэрогель способен впитывать и удерживать в себе объёмы органических веществ до 900 раз больше собственной массы! Так, за секунду 1 грамм аэрогеля способен впитать 68.8 грамм любого не растворяющегося в воде вещества.
Это свойство инновационного материала сразу заинтересовало экологов. Ведь таким образом можно быстро ликвидировать последствия техногенных аварий, например, использовать аэрогель в местах разлива нефти.
Кроме пользы для экологии, графеновый аэрогель несёт огромный потенциал и для энергетики, в частности, его планируют использовать в системах аккумулирования. В этом случае аэрогель может быть катализатором для определённых химических реакций. Также графеновый аэрогель уже сейчас начинает применяться в сложных композитных материалах.