Marsh Plant zainspirował pomysł stworzenia silnych i elastycznych aerożeli grafenowych • Arkady Kuramshin • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Nauka o materiałach, Nanotechnologia

Marsh Plant zasugerował pomysł stworzenia silnych i elastycznych aerożeli grafenowych

Ryc. 1. Struktura łodygi białawej talii (T. dealbata) i stworzył na swój obraz i podobieństwo aerożelu grafenowego. a – biały pas roślin bagiennych. b i z – obrazy wielopoziomowej struktury łodygi rośliny uzyskane za pomocą techniki optycznej (b) i skanowanie elektroniczne (za) mikroskop; równoległe zorientowane warstwy lamelkowe łodygi o grubości 10 μm są połączone ze sobą mostami poprzecznymi o długości około milimetra. d – schemat metody dwukierunkowego zamrażania (dwu-gradientowego zamrażania), który jest kluczowy dla syntezy grafofilowego aerożelu. e – schematyczne przedstawienie otrzymanego aerożelu. f – obraz uzyskany za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego pokazuje strukturę aerożelu. Obraz z artykułu w dyskusjiACS Nano

Chińscy chemicy uzyskali trwałe i elastyczne aerogeny grafenowe, symulujące strukturę łodygi białawej talii roślin bagiennych. Nowy materiał wytrzymuje liczne cykle "kompresji / rozszerzania", zachowując jednocześnie jego właściwości mechaniczne i elektryczne. Zakłada się, że może służyć do tworzenia nowych, bardziej wydajnych urządzeń elektronicznych.

Aerożele są stosunkowo nową klasą materiałów o wyjątkowo niskiej gęstości ze względu na ich porowatą strukturę:okołoNajwiększą część objętości aerożelu zajmują pory o wielkości do 100 nanometrów. Można powiedzieć, że aerożele są 99% powietrza. W dotyku przypominają lekką, ale solidną piankę, podobną do pianki. Gdy zostanie zastosowane silne obciążenie, aerożele mogą się zepsuć, ale generalnie są to bardzo trwałe materiały.

Znane od lat 30. XX wieku aerożele na bazie tlenków krzemu, aluminium, chromu i cyny są stosowane jako materiały izolujące ciepło i zatrzymujące ciepło, również w budownictwie. Kwarcowy aerożel wytrzymuje ciężar 2000 razy w stosunku do jego własnego ciężaru i temperatury do 650 ° C, a warstwa takiego aerożelu o grubości 2,5 cm jest wystarczająca, aby chronić ludzką dłoń przed bezpośrednim uderzeniem płomienia palnika.

Ze względu na niezwykłą porowatość aerożelu możliwe było dostarczenie na Ziemię próbek pyłu międzyplanetarnego (patrz: Gwiezdny odkurzacz powraca do domu, Elementy, 14 stycznia 2006 r.). Na statku kosmicznym Stardust zainstalowano blok kwarcowy aerożelu, który wpadł w cząstki pyłu, z przyspieszeniem kilku miliardów gzatrzymany bez zwijania.

Pod koniec lat 90. ubiegłego wieku uzyskano pierwsze aerożele z węgla, a odkrycie w 2004 r. Grafenu umożliwiło połączenie dwóch rodzajów nanosystemów w jeden rodzaj materiału: w 2010 r. Otrzymano aerogeny grafenowe (patrz: Aerożel z grafenu i nanorurek węglowych braki ich poprzedników, "Elements", 07/15/2013).

Ultralekkie i trwałe aerogliny grafenowe i ich pochodne są elektrycznie przewodzącymi materiałami, które są atrakcyjne do stosowania jako katalizatory, elektrody lub komponenty elastycznej elektroniki. Jednak do niedawna w takich aerożelach brakowało jednej niezwykle ważnej cechy – elastyczności. Powtarzające się próby uzyskania elastycznych i elastycznych aerożeli z węgla przez połączenie grafenu i nanorurek węglowych w strukturze rozwiązały tylko część problemu. Elastyczność materiału wzrosła, ale ze względu na to, że nanorurki, które nadawały mu elastyczność, zostały wbudowane w strukturę materiału nieregularnie, różne części materiału miały różne właściwości elektroniczne.

Naukowcom z Zhejiang University (Chiny), pod kierownictwem Hao Bai, udało się rozwiązać ten problem: byli oni w stanie uzyskać ściśliwy aerożel z grafenu o regularnej strukturze wewnętrznej. Do jej opracowania wykorzystano podejście biomimetyczne, kiedy pomysł i główne elementy zapożyczono z natury. Jako zasada budowy nowego materiału naukowcy wybrali wewnętrzną uporządkowaną porowatą strukturę łodygi białawy (Thalia dealbata).

Mocne i elastyczne łodygi białawe, rosnące głównie na bagnach i wzdłuż brzegów zbiorników wodnych w środkowych i południowo-wschodnich Stanach Zjednoczonych, mogą wytrzymać silne podmuchy wiatru. Badanie struktury łodyg tej rośliny pokazuje, że wytrzymałość łodygi jest określana przez równoległe zorientowane struktury płytkowe gęstych komórek, które są połączone ze sobą za pomocą subtelniejszych "mostów". (W chemii materiałów, naprzemiennie i równolegle zorientowane cienkie warstwy materiału o uporządkowanej strukturze nazywane są zwykle lamellami, które mogą być oddzielone albo materiałem stałym o mniejszym stopniu uporządkowania, albo cieczą lub gazem). Grubość tych struktur wynosi 100-200 mikrometrów.Rola mostów jest dwojaka: tworzą strukturę siatkową, dają siłę łodygi, ale będąc cieńsze, podobnie jak osobliwe sprężyny, sprawiają, że łodyga jest elastyczna i elastyczna.

Naukowcy postanowili odtworzyć podobną strukturę w aerożelu. Z dvugradientnogo zamrażania techniki opracowanej wcześniej Bai (Bai H. i wsp., 2015 Bioinspired dużą skalę dostosowane materiały porowate połączone z dwoma gradientów temperatury), a przeznaczony do generowania dużych (o wymiarach nie mniejszych niż liniowy centymetr) struktury mikro- i nano-porowate , naukowcy stworzyli sześcian aerożelowy o krawędzi 10 mm. Istota techniki dwufazowego zamrażania jest następująca: ciekły materiał jest chłodzony w taki sposób, że kosztem odpowiednio ustawionego umieszczenia elementów chłodzących, temperatura zmniejsza się jednocześnie w dwóch kierunkach – w pionie i poziomie. W ramach omawianej pracy płynnym materiałem do otrzymywania elastycznego aerożelu grafenowego była zawiesina tlenku grafenu w wodnym roztworze alkoholu poliwinylowego.

W procesie zamrażania występują kryształy lodu, działające jako matryca, wokół której następnie zamrażana jest zawiesina.Struktura szablonu zapewnia, że ​​podczas zamrażania tworzą się struktury, w których równoległe orientowane płytkowe fragmenty tlenku grafenu są zszyte z mostkami poprzecznymi. Wielkość i kształt kryształów lodu, a tym samym ostateczna architektura aerożelu – jego mikrostruktura, porowatość i wzajemne ukierunkowanie porów – są określane przez szybkość chłodzenia w każdym kierunku, stężenie i lepkość zawiesiny, materiał komory, w której odbywa się chłodzenie, oraz inne czynniki. Po utworzeniu trójwymiarowej porowatej struktury tlenku grafenu przeprowadza się liofilowe suszenie tej struktury i jej redukcję wodorem do aerożelu grafenowego, naśladując strukturę łodygi T. dealbata. Powstały aerożel ma wszystkie właściwości wymagane do zastosowania w elastycznej elektronice: wytrzymałość, elastyczność, przewodność elektryczną i niską gęstość (około 7 mg na cm3).

Powstały sześcian z aerożelu nie zapadł się pod wpływem dużego ciężaru: po prostu został skompresowany o połowę, a po usunięciu ładunku przywrócił pierwotny kształt (ryc. 2). Co więcej, stwierdzono, że nawet po tysiącach cykli kompresji i przywrócenia kształtu, aerożel zachowuje przewodność elektryczną i co najmniej 85% wytrzymałości mechanicznej.Dla porównania, znane aerożele o nieuporządkowanej porowatej strukturze zwykle tracą połowę siły po dziesięciu uciśnięciach.

Ryc. 2 Aerożel grafenowy przywraca pierwotny kształt po ściskaniu pod wpływem obiektu, którego masa jest ponad 6000 razy większa niż masa samego aerożelu. Obraz z artykułu w dyskusji ACS Nano

Naukowcy sugerują, że proponowana metoda otrzymywania elastycznych aerożeli grafenowych o regularnej strukturze może być skalowana i że ta metoda wydaje się tańsza i bardziej skuteczna niż inne podejścia do otrzymywania aerożeli o uporządkowanej trójwymiarowej strukturze, na przykład przy użyciu druku trójwymiarowego.

Źródło: Miao Yang, Nifang Zhao, Ying Cui, Weiwei Gao, Qian Zhao, Chao Gao, Hao Bai, Tao Xie. Biomimetyczny, architektoniczny aeragel grafenowy o wyjątkowej wytrzymałości i sprężystości // ACS Nano. 2017 r. DOI: 10,1021 / acsnano.7b01815.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: