Создан самый легкий материал на Земле

Создан  самый легкий в мире материал, представляющий собой сеть из углеродных трубок, которые во всех трех измерениях взаимосвязаны на нано- и микроуровне.  Плотность нового материала составляет всего лишь 0.2 миллиграмма на кубический сантиметр, что в 75 раз меньше по сравнению со стирофомом (Styrofoam) – упаковочным материалом на основе полистирола, заменителем пенопласта. При этом новая углеродная структура довольно прочная для своего веса. Ученые из Университета им. Кристиана Альбрехта в Киле (Christian Albrechts Universität zu Kiel) и Технологического университета в Гамбурге (Die Technische Universität Hamburg-Harburg) назвали созданный совместными усилиями новый материал «аэрографитом». Результаты работы исследователей были недавно опубликованы в журнале «Advanced Materials».

Свойства аэрографита

Новый материал - черный, непрозрачный, имеет стабильную структуру, проводит электрический заряд и хорошо поддается обработке в силу своей пластичности. Обладая столь уникальными свойствами при крайне низкой плотности, углеродный материал «аэрографит», несомненно, превосходит все остальные материалы его класса. «Наша работа вызвала небывалые дискуссии в научном сообществе. Аэрографит весит в четыре раза меньше, чем предыдущий «рекордсмен» (о нем мы уже недавно рассказывали)», - говорит Маттиас Мекленбург, со-автор работы и студент Технологического университета. Сверхлегкий материал из никеля, представленный ранее, также состоит из тонких трубок. Однако никель отличается более высокой атомной массой в сравнении с углеродом. «К тому же, нам удалось произвести трубки с пористой поверхностью, что делает их еще легче», добавляет Арним Шухарт (Arnim Schuchard), еще один из соавторов, обучающийся в Университете в Киле. Профессор Лоренц Кинли (Lorenz Kienle) и доктор Андрей Лотник (Dr. Andriy Lotnyk) смогли определить атомную структуру материала при помощи просвечивающего электронного микроскопа (transmission electron microscope, TEM).

Разветвленная структура нового суперлегкого материала

Несмотря на очень малый вес, аэрографит является крайне упругим. В то время как легкие материалы, как правило, хорошо выдерживают сжатие, но плохо противостоят растяжению, аэрографит может отлично переносить как сжатие, так и растягивающее воздействие. Он способен вернуть свою прежнюю форму без существенных искажений, даже если его сжать на 95 процентов, утверждает профессор Райнер Аделунг (Rainer Adelung) из Университета в Киле. «Аэрографит становится даже несколько тверже и прочнее, чем был до того, как его сжали», - подчеркивает он. Другие материалы теряют свою прочность и стабильность внутренней структуры, будучи подвержены такому «стрессу». «Кроме того, полученный нами материал практически полностью абсорбирует световое излучение. Можно сказать, что это самый черный из всех черных материалов», - заверяет профессор Карл Шульте из Университета в Гамбурге.

Строение аэрографита

«Представьте себе плющ, который паутиной обвивает дерево. А затем уберите это дерево», - так описывает процесс создания аэрографита профессор Аделунг. «Дерево» здесь выступает в качестве средства для достижения цели. Команда из Киля, состоящая из  Арнима Шухарта, Райнера Аделунга, Йогендра Мишра (Yogendra Mishra ) и Сорена Капса (Sören Kaps) использовала в своей работе сильно измельченный оксид цинка. Нагревая его до 900 градусов по Цельсию, ученые придали ему кристаллическую форму. Из этого материала впоследствии они изготовили что-то вроде таблетки, внутри которой оксид цинка образовал микро- и наноструктуры, так называемые тетраподы. Они переплетаются и формируют стабильный пористый образец. Иными словами, тетраподы создают сеть, являющуюся основой для аэрографита.

Изображения аэрографита, полученные при помощи сканирующего электронного микроскопа (SEM)

На следующем этапе таблетку поместили в специальный реактор для осаждения, находящийся в Университете в Гамбурге, и нагрели до 760 градусов по Цельсию. «В струящемся газе, наполненном углеродом, структура из оксида цинка покрывается углеродом толщиной всего в несколько атомных слоев. Так и появляется разветвленная решетка аэрографита. Далее в камеру нагнетают водород, который вступает в реакцию с оксидом цинка, а в результате образуется водяной пар и цинковый газ», - продолжает Шульте. В реакторе остается углеродная трубчатая структура. Маттиас Мекленбург дополняет: «Особенно замечательно то, что мы можем влиять на характеристики аэрографита. Форма основы из цинка и сепарационный процесс постоянно совершенствуются в Киле и Гамбурге».

Сферы применения аэрографита

Благодаря своим уникальным свойствам аэрографит можно наносить на электроды Литий-ионных аккумуляторов. В таком случае потребуется минимальное количество электролита, что позволит в дальнейшем заметно снизить вес аккумулятора. Этот метод был предложен самими авторами в их недавно опубликованной статье. Компактные аккумуляторы нового поколения можно будет устанавливать в электромобили или электровелосипеды. Таким образом, аэрографит принесет пользу в сфере производства «зеленого» транспорта.

Также, по мнению ученых, их разработка найдет свое применение в изготовлении новых синтетических материалов, увеличивая их электрическую проводимость. К примеру, с помощью добавления аэрографита пластик, изначально  не проводящий электрический ток,  можно сделать элетропроводящим, причем такая «трансформация» почти не скажется на весе. Полученный в итоге комбинированный материал поможет избежать негативного эффекта от статического электричества.

Еще только предстоит найти все возможные варианы примения уникальным свойствам аэрографита

В целом число возможных сфер применения суперлегкого материала безгранично. После того как создание аэрографита было официально подтверждено, ученые, занимающиеся исследованиями в разных областях знаний, стали наперебой предлагать свои идеи. Одно из направлений использования нового материала может быть связано с авионикой (электроникой в авиационных средствах) и космическими технологиями, поскольку летательные и космические аппараты часто испытывают на себе сильные вибрации. Можно будет задействовать аэрографит и в целях очистки загрязненных ресурсов вроде воды, так как он способен окислять и разлагать устойчивые типы загрязнителей. Пригодится аэрографит и для эффективной очистки воздуха в инкубаторах и вентиляционных системах. В качестве весьма ценных особенностей аэрографита - помимо электропроводности – также  указываются его механическая устойчивость и общая большая площадь поверхности, заданная его сетевой структурой.