Airgel iš grafeno ir anglies nanovamzdelių neturi savo pirmtakų trūkumų. • Ivanas Lavrenovas • Mokslo naujienos apie "elementus" • Nanotechnologijos, fizika

Grafeno ir anglies nanovamzdelių oro geliai neturi trūkumų iš savo pirmtakų.

Pav. 1. A – 2,5 g svorio plyte ant 2 g svorio oro gelio B – Aerogelio izoliacinių savybių įrodymas (gėlė ant oro gelio gabalo, esančio virš deglo liepsnos). C – "Airgel" po bandinio bombardavimo dalelėmis Žemėje rengiant "Stardust" misiją. Nuotraukos iš stardust.jpl.nasa.gov

Grafeno ir anglies nanovamzdelių derinys leido gauti anglies aerozolę, neturintį aerogelų, pagamintų iš grafeno ar tik iš nanovamzdelių, trūkumų. Naujoji anglies kompozicinė medžiaga, be įprastų visų aerogelų savybių – labai mažo tankio, kietumo ir mažo šilumos laidumo – taip pat turi didelį elastingumą (sugebėjimą susigrąžinti formą po pakartotinių suspaudimų ir padermių) ir puikų sugebėjimą absorbuoti organinius skysčius. Šis paskutinis turtas gali būti naudojamas naftos išsiliejimams pašalinti.

Pagal apibrėžimą, gelis yra viena iš koloidinių sistemų, ty skystų dalelių suspensijos kietoje kūno, tipų. Kietasis gelio sudėtyje esantis kiekis yra daug mažesnis nei skysčio tūris, tačiau jis yra nanometrinių dydžių dalelių, kurios yra tarpusavyje kontaktuojančios ir sudaro didelį grandinių ir lakštų tinklą, kuris nuolat skverbiasi į visą gelio tūrį.Dėl to gelis atsparus skysčiui ir yra želatininis arba netgi elastingas, o ne skystis. Jei skysta fazė visiškai pakeičiama dujine (pvz., Oru), mes gauname airgelį. Kietoji fazė užima mažiau nei 15% jo kiekio – paprastai maždaug 1% ar net mažiau.

Paprastai aerogelams paruošti naudojami du susiję metodai. Pirmasis yra superkritinis džiovinimas. Jei jūs tiesiog išdžiovinkite gelį, atsitraukiantis skystis sugriebins nanodalelių tinklelius, todėl džiovinimas turėtų būti atliekamas tokiomis sąlygomis, kai nėra paviršiaus įtampų, ty kai skystis yra superkritinėje būsenoje.

Įsivaizduokite, kad uždarą indą mes šildome su skysčiu ir šio skysčio garais. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiau skysčių išgeria, patenka į dujų fazę, tuo didesnis bus slėgis, o kartu ir dujų fazės tankis (faktiškai išgarintų molekulių skaičius). Esant tam tikroms slėgio ir temperatūros sąlygoms, kurių dydis priklausys nuo to, kad esant indui esančiai medžiagai molekulių tankis skystyje bus toks pat kaip ir dujų fazėje. Ši skysčio būsena vadinama superkritinis. Šioje būsenoje nėra skirtumo tarp skysčio ir dujų fazės, todėl nėra paviršiaus įtempties.

Dar lengvesni (mažiau tankūs) aerogelai yra gaunami cheminiu būdu nusodus cheminę medžiagą, kuri naudojama kaip kieta oro gelio fazė, ant anksčiau paruošto porėto substrato, kuris tada ištirps. Šis metodas leidžia reguliuoti kietosios fazės tankį (koreguojant nusėdusios medžiagos kiekį) ir jo struktūrą (naudojant substratą su būtina konstrukcija).

Dėl savo struktūros, aerogelai turi unikalių savybių rinkinį. Nors jų tvirtumas yra toks pat, kaip kietųjų dalelių (1A pav.), Jie yra arti dujų. Taigi, geriausi kvarcinio oro gelio mėginiai turi apie 2 mg / cm tankį3 (į jų sudėtį įeinantis oras tankis – 1,2 mg / cm3 ), kuris yra tūkstantis kartų mažesnis negu kietosioms medžiagoms.

Aerogels taip pat turi labai mažą šilumos laidumą (1B pav.), Nes šiluma turi vykti sudėtingu keliu per plačią labai plonų nanodalelių grandinių tinklą. Tuo pačiu metu šilumos perdavimas per oro fazę taip pat yra sudėtingas dėl to, kad tos pačios grandinės konvekciją neleidžia, be to, oro šilumos laidumas yra labai mažas.

Dar viena oro gelio savybė – jos ypatingoji akytumas – leido pateikti tarpplanetinių dulkių pavyzdžius į Žemę (žr. "Star Dulkių surinkėjas grįžta namo", "Elements", 2006 m. Sausio 14 d.) Naudojant "Stardust" erdvėlaivį. Jo surinkimo įtaisas buvo airegelio blokas, į kurį patenka dulkių dalelės, kurių greitis siekė kelis milijardus gbe žlugimo (1C pav.).

Pagrindinis oro gelio trūkumas iki šiol buvo jo silpnumas: jis susilygino pakartotinai. Visi tuo metu gauti aerogelai – iš kvarco, kai kurių metalų oksidų ir anglies – turėjo šį trūkumą. Tačiau atsiradus naujoms anglies medžiagoms – graphene ir anglies nanovamzdeliams – buvo išspręsta problema gauti elastingą ir atsparią aerogelų sunaikinimui.

Grafenas yra vienos atomo storio lapas, kuriame anglies atomai sudaro šešiakampę grotelę (kiekviena grotelės kamera yra šešiakampis), o anglies nanovamzdelis yra tas pats lakštas, kuris suplydo į cilindrą nuo vieno iki dešimčių nanometrų storio. Šios anglies formos turi didelę mechaninę stiprumą, elastingumą, labai didelį paviršiaus plotą, taip pat aukštą terminį ir elektrinį laidumą.

Tačiau medžiagos, pagamintos atskirai nuo grafeno arba atskirai nuo anglies nanovamzdelių, taip pat turi trūkumų. Taigi, graphene aerogelis, kurio tankis yra 5,1 mg / cm3 nesusidūrė su apkrova, 50 000 kartų viršijo savo svorį ir 80% pradinio dydžio sugrąžino savo formą. Tačiau dėl to, kad grafeno lakštai turi nepakankamą lenkimo standumą, jų tankio sumažėjimas turi įtakos grafeno aerogelio elastinėms savybėms.

Iš anglinio nanovamzdelių pagamintame oro gelyje yra dar vienas trūkumas: jis yra griežtesnis, bet po krovinio pašalinimo neatgauna formos, nes apkrovos nanovamzdeliai yra negrįžtamai sulenkti ir susipynę, o apkrova tarp jų yra prastai perkelta.

Prisiminkite, kad deformacija yra fizinio kūno dalelių padėties pasikeitimas santykinai vienas kito, o elastinė deformacija yra tokia deformacija, kuri dingsta, kai jėga ją išnyko. Kūno elastingumo laipsnis (vadinamasis elastingumo modulis) nustatomas priklausomai nuo mechaninio įtempio, atsirandančio viduje mėginio, taikant deformuojančią jėgą į elastinės deformacijos mėginį. Įtampa šiuo atveju yra jėga, taikoma mėginio vienetui savo teritorijoje.(Negalima painioti su elektros įtampa!)

Kaip įrodė Kinijos mokslininkų grupė, šie trūkumai yra visiškai kompensuojami, jei tuo pačiu metu naudojamas grafenas ir nanovamzdeliai. Straipsnio autoriai aptariami 2007 m Išplėstinės medžiagos Panaudotas vandeninis nanovamzdelių ir grafeno oksido tirpalas, kurio vanduo buvo pašalintas įšaldant ir sublimuojant ledo liofilizaciją (taip pat žr. "Freeze-drying"), taip pat pašalinus paviršiaus įtempimą, po kurio grafeno oksidas chemiškai sumažintas iki grafeno. Gautoje struktūroje grafteliniai lakštai tarnavo kaip skeletas, o nanovamzdeliai šiuose lakštuose naudojami kaip standūs šonkauliai (2A, 2B pav.). Kaip parodė tyrimai elektroniniu mikroskopu, grafeno lakštai sutapo vienas su kitu ir sudaro trimačią sistemą su poromis nuo dešimčių nanometrų iki dešimčių mikrometrų, o anglies nanovamzdeliai sudaro susipynusį tinklą ir griežtai laikosi graftelinių lakštų. Akivaizdu, kad tai atsiranda dėl nanotubelių išsiskyrimo didinant ledo kristalus pradinio tirpalo užšalimo metu.

Pav. 2 Aukščiau (A, B): sudėtinio granuliuotojo grafeno ir nanovamzdelių mikrostruktūra skirtinguose padidinimuose. Žemyn žemyn (C, D): aerozolių mėginiai.Nuotraukos iš aptariamo straipsnio Išplėstinės medžiagos

Pavyzdžio tankis buvo 1 mg / cm3 be oro (2C, 2D pav.). Ir pagal autorių pateiktą struktūrinio modelio skaičiavimus, mažiausias tankis, kuriuo naudotų pradinių medžiagų aerogelis vis dar palaiko struktūros vientisumą, yra 0,13 mg / cm3Tai beveik 10 kartų mažesnis oro tankis! Autoriai sugebėjo paruošti sudėtinį oro gelį, kurio tankis yra 0,45 mg / cm3 ir aerogelis tik iš grafeno, kurio tankis yra 0,16 mg / cm3kuris yra mažesnis už ankstesnį įrašą, priklausantį ZnO aerogelui, deponuotam ant pagrindo iš dujų fazės. Tankumo sumažinimas gali būti pasiektas naudojant platesnius grafeno lakštus, tačiau tai sumažina gautos medžiagos standumą ir stiprumą.

Išbandžius tokio sudėtinio oro gelio pavyzdžiai po 1000 pakartotinių suspaudimų išlaikė savo formą ir mikrostruktūrą 50% pradinio dydžio. Atsparumas suspaudimui yra maždaug proporcingas oro gelmės tankiui, o visais mėginiais palaipsniui didėja didėjant deformacijai (3A pav.). Esant nuo -190 ° C iki 300 ° C, gautų aerozolių elastinės savybės beveik nepriklauso nuo temperatūros.

Pav. 3 Airgelio mėginių reakcija į pakartotines apkrovas ir įtempimą. A – oro gelio bandymo stresas, palyginti su įtempimu, kurio tankis 1 mg / cm3 pakartotinai suspaudžiant apkrovas (juoda linija – pirmasis ciklas raudona – dešimta, mėlynas – 1000.) B – Airgelio mėginio, kurio tankis yra 1,5 mg / cm, bandymai3 ant tempimo. Atkreipkite dėmesį, kad į dešinę diagramą įtampa nurodyta kPa, o kairėje – Pa. Ištempiant 10%, pastebima dešimtis kartų daugiau streso nei tuo pačiu tempimu, o tai rodo žymiai didesnę medžiagos standumo įtempimą. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Išplėstinės medžiagos

Tempiamasis bandymas (3B pav.) Buvo atliekamas bandinyje, kurio tankis 1 mg / cm3, o mėginys išstūmė 16,5%, o tai visiškai nesuprantama oksidų aerogelams, kurie tuoj pat prasidės ištempus. Be to, tempiamasis standumas yra didesnis nei suspaudimo metu, ty mėginys lengvai susmulkinamas ir sunkiai ištemptas.

Autoriai priskyrė šią savybių rinkinį sinergetinei grafeno ir nanovamzdelių sąveikai, kurioje komponentų savybės papildo viena kitą. Anglies nanovamzdeliai, apimantys graftelinius lakštus, yra tarp gretimų lakštų susiejimas, kuris pagerina apkrovos perkėlimą tarp jų, taip pat stangrumo ribas patiems lapams.Dėl to apkrova nesukelia lakštų tarpusavyje (kaip ir gryna grafeno argentina), bet patys lanksto deformacijos. Kadangi nanovamzdeliai tvirtai priglunda prie lakštų, o jų padėtis yra nustatoma pagal lakštų padėtį, jos neturi negrįžtamų deformacijų ir įvažiavimo ir nejudina viena nuo kitos esant apkrovai, kaip ir neelastiniame oro gelyje, tik iš nanovamzdelių. Aerogelis, kurį sudaro vienodai graphene ir nanovamzdeliai, turi optimalias savybes, o nanotubelių kiekio padidėjimas pradeda formuotis "tangles", kaip ir aerozolėje, tik iš nanovamzdelių, dėl ko prarandamas elastingumas.

Be aprašytų elastingumo savybių, sudėtinis anglies aerozolis taip pat turi kitas neįprastas savybes. Tai elektrai laidus, o elektrinis laidumas kinta priklausomai nuo elastingos deformacijos. Be to, iš grafeno ir anglies nanovamzdelių aerugelų atsveria vandenį, bet jis puikiai sugeria organinius skysčius – 1,7 g tolueno visiškai absorbuojamas 5,2 sekundės svorio aerogelio gabalu vandenyje (4 pav.). Tai atveria puikias galimybes naikinti naftos išsiliejimus ir valyti vandenį iš organinių skysčių: tik 3,5 kg tokio oro gelio gali sugerti toną aliejaus, kuris yra 10 kartų daugiau,nei komerciškai naudojamo absorbento talpa. Kur absorbento sudėtinis aerogelis Regenerate: dėka jo elastingumo ir šilumos varža, absorbuojamas skystis gali būti išspaudžiama kempinė, o liekana yra išdaga arba pašalintas tiesiog išgarinant. Tyrimai parodė, kad savybės išlieka po 10 tokių ciklų.

Pav. 4 Organinių skysčių (šiuo atveju tonuoto tolueno) absorbcija iš oranžolės. Kiekvienoje nuotraukoje dešinėje žemyn žemyn pažymėtas laikas, praėjęs nuo oro gelio ir skysčio kontakto. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Išplėstinės medžiagos

Iš anglies formos, o unikalių savybių šių formų ir medžiagų, gautų iš jų įvairovė, ir toliau stebina mokslininkus, kad ateityje galime tikėtis daugiau ir daugiau naujų atradimų šioje srityje. Kiek dalykų galima padaryti tik iš vieno cheminio elemento!

Šaltinis: Haiyan Sun, Zhen Xu, Chao Gao. Daugiafunkciniai, ypač svorio, sinergiziškai surinkti anglies aerogelai // Pažangios medžiagos. V. 25. P. 2554-2560.

Taip pat žiūrėkite:
1) Wencai Ren & Hui-ming Cheng. Kai du yra geresni už vieną // Gamta. 2013. V. 497. P. 448-449.
2) Timas Скоренко. Kai oras atrodo sunkus, "Popular Mechanics", Nr. 6, 2013 m.

Ivanas Lavrenovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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