Аэрографен или графеновый аэрогель по состоянию на апрель 2020 [Обновить]года является наименее плотным из известных твердых тел с плотностью 160 г / м 3 (0,0100 фунт / куб фут; 0,16 мг / см 3 ; 4,3 унции / куб ярд), что меньше, чем гелий . [1] Он примерно в 7,5 раз менее плотен, чем воздух. Обратите внимание, что указанная плотность не включает вес воздуха, заключенного в конструкции: он не плавает в воздухе. [2] Он был разработан в Чжэцзянском университете . Сообщается, что объем производства материала может достигать кубических метров. [3] [4]
Открытие
Аэрографен был открыт в Чжэцзянском университете группой ученых под руководством Гао Чао. [1] Он и его команда уже успешно создали макроскопические материалы из графена . Эти материалы были одномерными и двухмерными . Однако при синтезе аэрографена ученые вместо этого создали трехмерную структуру. Синтез осуществляется путем сушки вымораживанием из углеродных нанотрубок растворов [2] и больших количеств оксида графена . Затем остаточный кислород удаляли химическим путем. [ необходима цитата ]
Изготовление
Графеновые аэрогели - это синтетические материалы, которые обладают высокой пористостью и низкой плотностью. Типичный синтез графеновых аэрогелей включает восстановление раствора предшественника оксида графена с образованием графенового гидрогеля. Растворитель впоследствии может быть удален из пор путем сублимационной сушки и замены воздухом. [5] Полученная структура состоит из сети , ковалентно связанные графеновых листов , окружающих большие карманы воздуха , что приводит к плотности по заказам 3 мг см -3 . [6]
Морфология графеновых аэрогелей также может контролироваться с помощью методов 3D-печати . Чернила на основе оксида графена, состоящие из оксида графена, гелеобразного в вязком растворе с добавлением диоксида кремния для снижения вязкости и обеспечения возможности печати чернил на основе оксида графена. Затем чернила выдавливаются из сопла в изооктан, который предотвращает слишком быстрое высыхание чернил. Впоследствии растворитель можно удалить сушкой вымораживанием, а диоксид кремния можно удалить раствором плавиковой кислоты. Полученная трехмерная решетка может быть высокоупорядоченной при сохранении высокой площади поверхности и низкой плотности, характерных для графеновых аэрогелей. [6]
Механические свойства
Графеновые аэрогели демонстрируют улучшенные механические свойства в результате своей структуры и морфологии. Графеновые аэрогели имеют модуль Юнга порядка 50 МПа. [7] Их можно упруго сжимать до значений деформации> 50%. [6] Жесткость и сжимаемость графеновых аэрогелей можно частично объяснить сильной связью графена sp 2 и π-π взаимодействием между углеродными листами. В графеновых аэрогелях π-π-взаимодействие может значительно повысить жесткость из-за сильно искривленных и складчатых областей графена, как это видно на изображениях просвечивающей электронной микроскопии . [5]
Было показано, что механические свойства графенового аэрогеля зависят от микроструктуры и, следовательно, варьируются в разных исследованиях. Роль микроструктуры в механических свойствах зависит от нескольких факторов. Компьютерное моделирование графеновых аэрогелей показывает, что графеновые стенки изгибаются при приложении растягивающего или сжимающего напряжения. [8] [9] Получающееся в результате распределение напряжений от изгиба графеновых стенок изотропно и может способствовать наблюдаемому высокому пределу текучести. Плотность аэрогеля также может существенно влиять на наблюдаемые свойства. Вычислительно показано, что нормализованный модуль Юнга подчиняется степенному закону распределения, который определяется следующим уравнением:
где E - модуль Юнга,
Точно так же прочность на сжатие, которая описывает предел текучести перед пластической деформацией при сжатии в графеновых аэрогелях, подчиняется степенному закону распределения.
где σ y - прочность на сжатие, ρ - плотность графенового аэрогеля, E s - модуль графена, ρ s - плотность графена, и n - масштабный коэффициент степенного закона, который описывает систему, отличную от наблюдаемой экспоненты. по модулю. Наблюдаемая степенная зависимость согласуется с тенденциями между плотностью, модулем и прочностью на сжатие, наблюдаемыми в экспериментальных исследованиях графеновых аэрогелей. [8]
Макроскопическая геометрическая структура аэрогеля, как было показано расчетами и экспериментально, влияет на наблюдаемые механические свойства. Напечатанные на 3D-принтере периодические гексагональные графеновые аэрогелевые структуры демонстрируют на порядок больший модуль упругости по сравнению с объемными графеновыми аэрогелями той же плотности при нанесении вдоль вертикальной оси. Зависимость жесткости от структуры обычно наблюдается и в других ячеистых структурах. [7]
Приложения
Из-за высокой пористости и низкой плотности графеновый аэрогель исследовался как потенциальная замена в летных шарах. [8] Большая степень восстанавливаемой сжимаемости и общая жесткость структуры использовались в исследованиях графеновых губок, способных удерживать жидкость в 1000 раз больше своего веса, одновременно восстанавливая всю абсорбированную жидкость без структурного повреждения губки за счет эластичности структура графена. Это имеет последствия для окружающей среды, потенциально способствуя очистке от нефти в открытом море. [10] [11] Его также можно использовать для сбора пыли с хвостов комет . [1]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b c Книга рекордов Гиннеса 2018 . Группа Джима Паттисона . п. 188. ISBN 9781910561713.
- ^ а б Старр, Мишель (25 марта 2013 г.). «Графеновый аэрогель - самое легкое вещество нового мира» . Проверено 6 сентября 2013 .
- ^ «Сверхлегкий аэрогель, произведенный в лаборатории Чжэцзянского университета. Пресс-релизы» . Zju.edu.cn. 2013-03-19. Архивировано из оригинала на 2013-05-23 . Проверено 12 июня 2013 .
- ^ Мекленбург, М .; Schuchardt, A .; Mishra, YK; Капс, SR; Adelung, R .; Лотник, А .; Kienle, L .; Шульте, К. (2012). «Аэрографит: сверхлегкий, гибкий материал наностенки, углеродные микропробирки с выдающимися механическими характеристиками». Современные материалы . 24 (26): 3486–3490. DOI : 10.1002 / adma.201200491 . PMID 22688858 .
- ^ а б Ху, Хань; Чжао, Цзунбинь; Ван, Вубо; Гогоци, Юрий; Цю, Цзешань (2013). «Сверхлегкие и сильно сжимаемые графеновые аэрогели» . Современные материалы . 25 (15): 2219–2223. DOI : 10.1002 / adma.201204530 . ISSN 1521-4095 .
- ^ а б в Чжу, Ченг; Хан, Т. Юн-Джин; Duoss, Эрик Б.; Голобич, Александра М .; Кунц, Джошуа Д.; Spadaccini, Christopher M .; Уорсли, Маркус А. (22 апреля 2015 г.). "Сильно сжимаемые трехмерные периодические микрочастицы аэрогеля графена" . Nature Communications . 6 (1): 1–8. DOI : 10.1038 / ncomms7962 . ISSN 2041-1723 .
- ^ а б Уорсли, Маркус А .; Кучеев, Сергей О .; Мейсон, Харрис Э .; Меррилл, Мэтью Д.; Mayer, Brian P .; Левицки, Джеймс; Вальдес, Карлос А .; Сусс, Мэтью Э .; Стадерманн, Майкл; Pauzauskie, Peter J .; Сэтчер, Джо Х. (25 июля 2012 г.). «Механически прочная трехмерная макросборка из графена с большой площадью поверхности» . Химические коммуникации . 48 (67): 8428–8430. DOI : 10.1039 / C2CC33979J . ISSN 1364-548X .
- ^ а б в Цинь, Чжао; Юнг, Ганг Сеоб; Кан, Мин Чжон; Бюлер, Маркус Дж. (01.01.2017). «Механика и конструкция легкой трехмерной графеновой сборки» . Наука продвигается . 3 (1): e1601536. DOI : 10.1126 / sciadv.1601536 . ISSN 2375-2548 .
- ^ Лэй, Цзиньчэн; Лю, Цзышунь (2018-04-01). «Структурные и механические свойства графеновых аэрогелей на основе графеновых моделей типа поверхности Шварца» . Углерод . 130 : 741–748. DOI : 10.1016 / j.carbon.2018.01.061 . ISSN 0008-6223 .
- ^ У Инпэн; Йи, Нинбо; Хуанг, Лу; Чжан, Тэнфэй; Клык, Шаоли; Чанг, Хуйконг; Ли, На; О, Джиён; Ли, Джэ А; Козлов, Михаил; Чипара, Алин К. (2015-01-20). «Трехмерно связанный губчатый графеновый материал со сверхупругостью при сжатии и почти нулевым коэффициентом Пуассона» . Nature Communications . 6 (1): 1–9. DOI : 10.1038 / ncomms7141 . ISSN 2041-1723 .
- ^ Чен, Бо и др. (2015). «Сорбенты на углеродной основе с трехмерной архитектурой для очистки воды». Маленький 11,27 (2015): 3319-3336.