Tutto iniziò nel 1931, più di 80 anni fa, quando Samuel Stevens Koestler inventò gli aerogel, i materiali più leggeri dell'epoca e allo stesso tempo molto resistenti.

La calma rimase per 80 anni, fino al 2011, quando il materiale a microreticolo, il grafene, divenne il materiale più leggero. La sua densità era di soli 0,9 mg per 1 cm cubo ed era 4 volte inferiore a quella degli aerogel. Da quel momento in poi iniziò una vera svolta nella ricerca e nell'invenzione di materiali ultraleggeri.

In meno di un anno, gli scienziati sono riusciti a creare l'aerografite e a renderla 4 volte più leggera del grafene. La densità dell'aerografite era 0,18 mg/cm3.

La sfida è stata accettata e il risultato c'è già: gli scienziati cinesi hanno provato a realizzare un materiale leggero universale e il risultato è stato un aerogel a base di grafene con un indicatore di peso specifico 0,16 mg/cm3. Per chiarire con che tipo di materiale leggero abbiamo a che fare, confrontiamolo con l'aria - è 6,5 volte più leggero dell'aria.

In cosa consiste questo aerogel a base di grafene? Questo è un materiale poroso a base di carbonio (carbonio), che viene sottoposto a liofilizzazione. Il nome ufficiale del materiale scoperto è “grafene-aerogel”.

Proprietà uniche del materiale:

• alto coefficiente di elasticità;
• conduttività elettrica;
• coefficiente di assorbimento - 900.

Ciò significa che essendo più leggero dell'aria (sì, può volare via e necessita di essere legato come un palloncino) ed avendo una struttura porosa, può assorbire una sostanza che pesa 900 volte il proprio peso. Stanno già emergendo idee per l’utilizzo del “grafene-aerogel” come riciclatore del petrolio sversato nei mari e negli oceani. In particolare, il grafene e l’olio raccolto possono essere riutilizzati dopo l’assemblaggio.

Conduttività elettrica del materiale molto probabilmente interesserà i produttori di dispositivi elettronici e mobili, dove il peso del dispositivo a volte gioca un ruolo molto importante.

I chimici hanno escogitato un nuovo modo di produrre l'aerografo: un materiale insolitamente leggero con proprietà uniche.

Quando parliamo di qualcosa di leggero e senza peso, spesso usiamo l’aggettivo “arioso”. Tuttavia, l'aria ha ancora una massa, anche se piccola: un metro cubo d'aria pesa poco più di un chilogrammo. È possibile creare un materiale solido che occuperebbe, ad esempio, un metro cubo, ma peserebbe meno di un chilogrammo? Questo problema è stato risolto all'inizio del secolo scorso dal chimico e ingegnere americano Stephen Kistler, noto come l'inventore dell'aerogel.

La macrostruttura dell’aerografene creata utilizzando la stampa 3D gli conferisce proprietà meccaniche uniche, mentre il materiale non perde la sua natura di “grafene”. Foto: Ryan Chen/LLNL

Gli aerogel sono materiali sorprendentemente leggeri che hanno anche una notevole resistenza. Pertanto, un cubo di aerogel può sostenere un peso mille volte maggiore del suo. Foto: Kevin Baird/Flickr

Nel 2013, i chimici hanno creato l'aerografo, di gran lunga il materiale solido più leggero conosciuto. Il suo peso è otto volte inferiore al peso dell'aria, che occupa lo stesso volume. Foto: Imaginechina/Corbis

Probabilmente, per la maggior parte dei lettori, la prima associazione con la parola “gel” è associata ad alcuni prodotti cosmetici o prodotti chimici domestici. Sebbene in realtà il gel sia un termine completamente chimico che si riferisce a un sistema costituito da una rete tridimensionale di macromolecole, una sorta di cornice, nei cui vuoti si trova il liquido. A causa di questa struttura molecolare, lo stesso gel doccia non si diffonde sul palmo, ma assume una forma tangibile. Ma un gel così ordinario non può essere definito arioso: il liquido che ne costituisce la maggior parte è quasi mille volte più pesante dell'aria. È qui che gli sperimentatori hanno avuto l'idea di come realizzare un materiale ultraleggero.

Se prendi un gel liquido e in qualche modo rimuovi l'acqua da esso, sostituendola con aria, di conseguenza, dal gel rimarrà solo una cornice, che fornirà durezza, ma allo stesso tempo praticamente non avrà peso. Questo materiale è chiamato aerogel. Dalla sua invenzione nel 1930, è iniziata una sorta di competizione tra i chimici per creare l'aerogel più leggero. Per molto tempo per ottenerlo è stato utilizzato principalmente materiale a base di biossido di silicio. La densità di tali aerogel di silicio variava da decimi a centesimi di grammo per centimetro cubo. Quando i nanotubi di carbonio iniziarono ad essere utilizzati come materiale, la densità degli aerogel fu ridotta di quasi due ordini di grandezza. Ad esempio, l'aerografite aveva una densità di 0,18 mg/cm 3 . Oggi il materiale solido più leggero appartiene all'aerografene, la sua densità è di soli 0,16 mg/cm 3 . Per mettere questo in prospettiva, un metro cubo fatto di profilo alare peserebbe 160 g, ovvero otto volte più leggero dell'aria.

Ma i chimici non sono spinti solo dall’interesse sportivo, e non è un caso che il grafene sia stato utilizzato come materiale per gli aerogel. Il grafene stesso ha molte proprietà uniche, in gran parte dovute alla sua struttura piatta. D'altro canto gli aerogel hanno anche caratteristiche particolari, una delle quali è un'enorme superficie specifica, che ammonta a centinaia e migliaia di metri quadrati per grammo di sostanza. Un'area così vasta è dovuta all'elevata porosità del materiale. I chimici sono già riusciti a combinare le proprietà specifiche del grafene con la struttura unica degli aerogel, ma per qualche motivo anche i ricercatori del Livermore National Laboratory avevano bisogno di una stampante 3D per creare l’aerografene.

Per poter stampare l'aerogel è stato prima necessario creare un inchiostro speciale a base di ossido di grafene. Oltre al fatto che dovrebbero realizzare un aerografo, tale inchiostro deve essere adatto alla stampa 3D. Dopo aver risolto questo problema, i chimici hanno messo le mani su un metodo con cui possono produrre aerografi con la microarchitettura desiderata. Questo è molto importante, perché oltre alle proprietà inerenti al grafene, tale materiale avrà anche proprietà fisiche interessanti. Ad esempio, il campione ricevuto dagli autori dello studio si è rivelato sorprendentemente elastico: un cubo di aerografene potrebbe essere compresso dieci volte senza danneggiare il materiale e non ha perso le sue proprietà durante ripetute compressioni e allungamenti.

È stato inventato da un gruppo di scienziati guidati dal professore cinese Gao Chao dell'Università di Zhejiang e ha suscitato scalpore nel mondo scientifico. Il grafene, un materiale di per sé incredibilmente leggero, è ampiamente utilizzato nella moderna nanotecnologia. E gli scienziati sono riusciti a ricavarne un materiale poroso, il più leggero al mondo.

L'aerogel di grafene è stato prodotto allo stesso modo degli altri aerogel: mediante essiccazione per sublimazione. Una spugna porosa realizzata in materiale di carbonio-grafene copia quasi completamente qualsiasi forma, il che significa che la quantità di aerogel dipende solo dal volume del contenitore.

In termini di proprietà chimiche, l'aerogel ha una densità inferiore all'idrogeno e all'elio. Gli scienziati hanno confermato la sua elevata resistenza ed elevata elasticità. E questo nonostante il fatto che l'aerogel di grafene assorba e trattenga volumi di sostanze organiche quasi 900 volte la sua massa! 1 grammo di aerogel può letteralmente assorbire 68,8 grammi di qualsiasi sostanza insolubile in acqua in un secondo. Questo è sorprendente e forse molto presto tutti i bar su poeli.ru e tutti gli hotel utilizzeranno questo materiale per alcuni dei propri scopi per attirare visitatori.

Un'altra proprietà del nuovo materiale è stata di grande interesse per la comunità ambientalista: la capacità della spugna di grafene di assorbire sostanze organiche, che aiuterà ad eliminare le conseguenze degli incidenti causati dall'uomo.

La potenziale proprietà del grafene come catalizzatore di reazioni chimiche è destinata all'utilizzo nei sistemi di stoccaggio e nella produzione di materiali compositi complessi.

L'aerografite è stata sostituita come solido più leggero da una nuova forma di aerogel.

La ricerca sugli aerogel continua e gli scienziati creano costantemente varietà sempre più leggere. Nel 1931 fu sintetizzato un aerogel basato su nanotubi di carbonio. La densità di questa sostanza è di 4 milligrammi per centimetro cubo. Per più di 80 anni è stato considerato il più leggero dei solidi. È stato sostituito dall'aerogel di silicato (di cui si è già parlato una volta). La sostanza, di cui 1 centimetro cubo pesa 1 mg, occupò immediatamente 15 posizioni nel Guinness dei primati e fu chiamata "fumo ghiacciato" per il suo aspetto olografico. Più avanti in questa corsa, era davanti alle microgriglie metalliche con una densità di 0,9 mg/cm 3 , ma furono presto sostituite dal piedistallo dall'aerografite (0,18 mg/cm 3 ).

Microgriglie metalliche e aerografite

Negli ultimi anni l'aerografite ha ottenuto il titolo di materiale più leggero. È sei volte più leggero dell'aria; un centimetro cubo di questa sostanza pesa 0,18 milligrammi. Quando l’aerografite fu ufficialmente documentata e riconosciuta fu davvero una grande scoperta. Ma il trionfo fu di breve durata.

Questo mese, un team di scienziati dell'Università cinese di Zhejiang è riuscito a battere il record di leggerezza stabilito dall'aerografite. La nuova scoperta è una sostanza porosa costituita da grafene e nanotubi di carbonio, ottenuta liofilizzando la loro soluzione. Il materiale si chiama “grafene-aerogel”. La sua densità è 0,16 mg/cm3. Questa è due volte la densità dell'idrogeno e sette volte e mezzo inferiore alla densità dell'aria.

Se qualcuno è preoccupato del motivo per cui tutte queste gloriose sostanze con un tale peso non volano via, puoi rassicurarti con la stessa cosa che ho fatto io. Anche questo mi è sembrato strano, o almeno controintuitivo, ma è quello che ha detto ogni risorsa che ha scritto su questi aerogel. Inoltre, il Wiki mostra anche tali indicatori. La densità dell'aria è 1,2 mg/cm 3, la densità dell'eroe della trama è 0,16. Stanco di ricontrollare, mi sono rassicurato che gli aerogel sono porosi e nel calcolare la densità escludevano chiaramente il peso dell'aria al loro interno. Pertanto, il peso di un centimetro cubo di microreticolo metallico senza aria è 0,9. Con aria - 2,2 mg. Sembra che si siano riuniti. Uff.

Secondo uno dei principali ricercatori, il metodo della liofilizzazione rende anche possibile la produzione di aerografi in serie invece che in laboratorio.

Un video terribile su di lui:

Ora che il mondo intero ha saputo della creazione di un nuovo materiale più leggero, vengono proposte molte idee per il suo utilizzo. Una delle idee più popolari è la bonifica delle fuoriuscite di petrolio. L’aerogel di grafene sarà in grado di assorbire olio e acqua in quantità superiori di 900 volte al suo peso. E anche l’olio e l’acqua assorbiti, nonché lo stesso aerogel di grafene, potranno essere riutilizzati in futuro. I ricercatori stanno lavorando duramente per sviluppare ulteriormente il materiale e le sue possibili applicazioni.

Fonti:

Dal 2011, gli scienziati hanno sviluppato diversi materiali innovativi, che a loro volta hanno ottenuto il titolo di “materiale più leggero del pianeta”. Innanzitutto un aerogel a base di nanotubi di carbonio (4 mg/cm3), poi un materiale con struttura a microreticolo (0,9 mg/cm3), quindi aerografite (0,18 mg/cm3). Ma oggi il materiale più leggero è l’aerogel di grafene, la cui densità è di 0,16 mg/cm3.

Questa scoperta, effettuata da un gruppo di scienziati dell'Università di Zhejiang (Cina) sotto la guida del professor Gao Chao, ha suscitato vero scalpore nella scienza moderna. Il grafene stesso è un materiale insolitamente leggero ampiamente utilizzato nella moderna nanotecnologia. Innanzitutto, gli scienziati lo hanno utilizzato per creare fibre di grafene unidimensionali, poi nastri di grafene bidimensionali e ora una terza dimensione è stata aggiunta al grafene, ottenendo un materiale poroso che è diventato il materiale più leggero al mondo.

Il metodo per produrre materiale poroso dal grafene è chiamato liofilizzazione. Altri aerogel vengono preparati allo stesso modo. La spugna porosa di carbonio-grafene è in grado di ripetere quasi completamente qualsiasi forma che le viene data. In altre parole, la quantità di aerogel di grafene prodotta dipende esclusivamente dal volume del contenitore.

Gli scienziati dichiarano coraggiosamente qualità come elevata resistenza ed elasticità. Allo stesso tempo, l'aerogel garfen è in grado di assorbire e trattenere volumi di sostanze organiche fino a 900 volte il proprio peso! Quindi, in un secondo, 1 grammo di aerogel può assorbire 68,8 grammi di qualsiasi sostanza che non si dissolve in acqua.

Questa proprietà del materiale innovativo ha immediatamente interessato gli ambientalisti. Dopotutto, in questo modo è possibile eliminare rapidamente le conseguenze degli incidenti causati dall'uomo, ad esempio utilizzando l'aerogel nei siti di fuoriuscita di petrolio.

Oltre ai vantaggi ambientali, l'aerogel di grafene ha un enorme potenziale energetico, in particolare è previsto il suo utilizzo nei sistemi di stoccaggio. In questo caso, l'aerogel può fungere da catalizzatore per alcune reazioni chimiche. Inoltre, l’aerogel di grafene sta già iniziando a essere utilizzato in materiali compositi complessi.