Мировой рекорд: произведен самый легкий материал в мире

Сеть пористых углеродистых трубок, которые трехмерно переплетены на нано- и микроуровне – вот что представляет собой самый легкий материал в мире

Кубический сантиметр его весит всего 0,2 миллиграмма, и поэтому он в 75 раз легче, чем пенополистирол, но при этом очень прочный. Ученые из Университета Киля и Гамбургского Технологического университета (ГТУ) назвали свое коллективное творение «Аэрографитом».

Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Materials.

Свойства

Это материал черного цвета, он имеет устойчивую форму, проводит электричество, пластичен и непрозрачен. Обладая этими уникальными свойствами и очень низкой плотностью, углеродный аэрографит определенно превосходит все подобные материалы.

«Наша работа вызывает большие дискуссии в научном сообществе. Аэрографит весит в четыре раза меньше, чем обладатель нынешнего мирового рекорда», - говорит Меттиас Мекленбург, соавтор и аспирант в ГТУ. До настоящего времени самым легким в мире был никелевый материал, который был представлен общественности в прошлом году. Он также состоит из крошечных трубок. Только никель обладает более высокой атомной массой, чем углерод. «Кроме того, мы можем производить трубки с пористыми стенами. Это делает их чрезвычайно легкими», - добавил Арним Шучард, соавтор исследования и аспирант в Университете Киля. Профессор Лоренц Кинле и доктор Андрей Лотник смогли расшифровать атомное строение материала при помощи просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ).

Несмотря на свой низкий вес аэрографит очень эластичен. В то время как легкие материалы обычно устойчивы к сжатию, но не к натяжению, аэрографит обладает обоими этими качествами: он хорошо выдерживает и сжатие, и растяжение. Его можно сжать до 95 процентов, и он вернется к своей первоначальной форме без каких-либо повреждений, говорит профессор Рэйнер Аделанг из Университета Киля. «До определенного момента аэрографит становится еще более плотным и поэтому более прочным, чем прежде», - говорит он. Другие материалы становятся слабее и менее устойчивыми, когда подвергаются такой нагрузке.

«Кроме того, недавно созданный материал почти полностью поглощает световые лучи. Можно сказать, что он создает самый черный из всех черных цветов», - признает профессор из Гамбурга Карл Шульт.

Получение материала

«Аэрографит похож на плющ, который обвивается вокруг дерева, а затем его уничтожает», - говорит Аделанг о процессе построения материала. «Дерево» – это так называемая матрица для сбора молекул. Команда из Киля, состоящая из Арнима Шучардта, Рейнера Аделанга, Йогнера Мишра и Сорена Капса, использовала оксид цинка в форме порошка. При нагреве до 900 градусов Цельсия, он принимает кристаллизованную форму.

Из этого материала ученые из Киля сделали своего рода шар. В нем оксид цинка формирует микро- и наноструктуры, так называемые тетраподы. Они переплетаются и образуют устойчивую структуру из частиц, которые формируют пористый шар. Таким образом, тетраподы образуют сеть, которая является основанием для аэрографита.

Следующим шагом является помещение шара в реактор для химического парофазного осаждения в ГТУ и нагрев его до 760 градусов Цельсия.

«В движущейся паровой атмосфере, которая обогащена углеродом, окись цинка покрывается слоем графита всего в несколько атомных слоев. Так формируется сетевая структура аэрографита. Одновременно подается водород. Он вступает в реакцию с кислородом в окиси цинка и приводит к выделению водяного и цинкового газа», - говорит Шульт. Остается характерным образом переплетенная, подобная трубке, углеродистая структура. Ученый ГТУ Мекленбург говорит: «Чем быстрее мы выводим цинк, тем более пористыми получаются стенки трубки, и тем легче материал». Шучард добавляет: «Очень важно то, что мы можем влиять на характеристики аэрографита. Форма матрицы и процесс разделения постоянно совершенствуются в Киле и Гамбурге».

Применение

Благодаря уникальным особенностям этого материала, аэрографит может использоваться в качестве электродов литий-ионных аккумуляторов. В этом случае будет необходимо только минимальное количество электролита батареи, что приведет к существенному снижению веса батареи. Эта цель была кратко изложена авторами в недавно опубликованной статье. Областями для применения этих маленьких батарей могли бы стать электромобили или электровелосипеды. Таким образом, материал способствует развитию экологических средств передвижения.

По словам ученых, другими областями применения материала могла бы стать электрическая проводимость синтетических материалов. Непроводящая пластмасса могла бы быть преобразована, при этом ее вес не увеличился бы. Статического эффекта, с которым ежедневно сталкивается большинство людей, можно было бы избежать.

Количество других возможных областей применения для самого легкого материала в мире безгранично. После официального признания аэрографита, ученые различных исследовательских областей предложили множество идей. Одной из возможностей может стать использование материала в электронике для авиации и спутников, так как они должны выдерживать большую вибрацию. Кроме того, материал мог бы оказать помощь при очистке воды. Он мог бы действовать как адсорбент для устойчивых водных загрязнителей, так как он может окислять или разбивать и удалять их. Ученые могли бы извлечь пользу из преимуществ аэрографита, а именно - механической устойчивости и электропроводимости. Другой областью применения могла бы стать очистка атмосферного воздуха для термостатов или вентиляции.