Хіміки придумали новий спосіб отримання аерографену - надзвичайно легкого матеріалу з унікальними властивостями
Коли ми говоримо про щось легке і невагоме, то часто вживаємо прикметник «повітряний». Однак повітря все одно володіє масою, хоч і невеликий - один кубометр повітря важить трохи більше кілограма. Чи можна створити твердий матеріал, який займав би собою, наприклад, кубічний метр, але при цьому важив би менше кілограма? Таку проблему вирішив ще на початку минулого століття американський хімік і інженер Стівен Кістлер, який відомий як винахідник аерогеля.
Напевно, у більшості читачів перша асоціація зі словом «гель» пов'язана з якимось косметичним засобом або побутовою хімією. Хоча насправді гель - це цілком хімічний термін, яким називають систему, що складається з тривимірної сітки макромолекул, свого роду каркаса, в порожнечах якого знаходиться рідина. За рахунок цього молекулярного каркаса той же гель для душу не розтікається по долоні, а приймає відчутну форму. Але назвати такий звичайний гель повітряним ніяк не можна - рідина, яка становить більшу його частину, майже в тисячу разів важче повітря. Ось тут у експериментаторів і виникла ідея, як зробити ультралегкий матеріал.
Якщо взяти рідкий гель, і якимось способом прибрати з нього воду, замінивши її на повітря, то в результаті від гелю залишиться тільки каркас, який буде забезпечувати твердість, але при цьому практично не мати ваги. Такий матеріал і отримав назву аерогеля. З моменту його винаходу в 1930 році серед хіміків почалося свого роду змагання зі створення найлегшого аерогеля. Довгий час для його отримання використовували в основному матеріал на основі діоксиду кремнію. Щільність таких кремнієвих аерогелів становила від десятих до сотих часток грама на кубічний сантиметр. Коли в якості матеріалу стали використовувати вуглецеві нанотрубки, то щільність аерогелів вдалося зменшити ще практично на два порядку. Наприклад, аерографіт мав щільність 0,18 мг/см3. На сьогоднішній день пальма першості найлегшого твердого матеріалу належить аерографену, його щільність всього 0,16 мг/см3. Для наочності, метровий куб, зроблений з аерографену, важив би 160 г, що у вісім разів легше повітря.
Однак хіміками рухає аж ніяк не тільки спортивний інтерес, і графен в якості матеріалу для аерогелів стали використовувати зовсім не випадково. Сам по собі графен володіє масою унікальних властивостей, які багато в чому обумовлені його плоскою структурою. З іншого боку, аерогелі теж мають особливі характеристики, одна з яких - величезна площа питомої поверхні, яка становить сотні і тисячі квадратних метрів на грам речовини. Така величезна площа виникає через високу пористість матеріалу. Поєднати специфічні властивості графена з унікальною структурою аерогелів у хіміків вже вийшло, але дослідникам з Ліверморської національної лабораторії для створення аерографену навіщось знадобився ще і 3D принтер.
Для того щоб надрукувати аерогель, спершу потрібно було створити спеціальні чорнила на основі оксиду графена. Крім того, що з них повинен вийде аерографен, треба, щоб такі чорнило були придатні для 3D друку. Вирішивши це завдання, хіміки отримали в свої руки метод, за яким можна виготовляти аерографен з потрібною мікроархітектурою. Це дуже важливо, оскільки крім властивостей, властивих графену, такий матеріал матиме ще й цікаві фізичні властивості. Наприклад, той зразок, який отримали автори дослідження, виявився напруженим - кубик з аерографену можна було без шкоди для матеріалу стискати в десять разів, при цьому він не втрачав своїх властивостей при повторних стисненнях-розтягненнях.
Здатність до багаторазового стиснення відрізняє надрукований аерографен від отриманого «звичайним» шляхом. Одним з практичних застосувань нового аерографену можуть стати гнучкі електричні акумулятори, де велика внутрішня поверхня матеріалу буде використана в якості електрода, в той час як надрукована структура додасть йому потрібну гнучкість.
Фото: Ryan Chen/LLNL, Kevin Baird/Flickr, Imaginechina/Corbis
За матеріалами Nature Communications і LLNL