Aerograf
Aerografen lub aerożel grafenowy jest według stanu na kwiecień 2020 r. najmniej gęstym znanym ciałem stałym o masie 160 g/m 3 (0,0100 funta/stopę sześcienną; 0,16 mg/cm 3 ; 4,3 uncji/m3), mniej niż hel . Ma około 7,5 razy mniejszą gęstość niż powietrze. Należy zauważyć, że podana gęstość nie uwzględnia ciężaru powietrza zawartego w strukturze: nie unosi się ono w powietrzu. Został opracowany na Uniwersytecie Zhejiang . Podobno materiał może być produkowany w skali metrów sześciennych.
Odkrycie
Aerographene został odkryty na Uniwersytecie Zhejiang przez zespół naukowców kierowany przez Gao Chao. On i jego zespół z powodzeniem stworzyli makroskopowe materiały wykonane z grafenu . Materiały te były jednowymiarowe i dwuwymiarowe . Jednak podczas syntezy aerografu naukowcy zamiast tego stworzyli trójwymiarową strukturę. Syntezy dokonano przez liofilizację roztworów nanorurek węglowych i dużych ilości tlenku grafenu . Resztki tlenu usunięto następnie chemicznie. [ potrzebne źródło ]
Produkcja
Aerożele grafenowe to materiały syntetyczne, które charakteryzują się dużą porowatością i niską gęstością. Typowa synteza aerożeli grafenowych polega na redukcji prekursora roztworu tlenku grafenu w celu utworzenia hydrożelu grafenowego. Rozpuszczalnik można następnie usunąć z porów przez liofilizację i zastąpienie powietrzem. Powstała struktura składa się z sieci kowalencyjnie związanych arkuszy grafenu otaczających duże kieszenie powietrza, co daje gęstość rzędu 3 mg cm -3 .
Wykazano również, że morfologię aerożeli grafenowych można kontrolować za pomocą metod drukowania 3D . Atrament tlenku grafenu składający się z tlenku grafenu zżelowanego w lepkim roztworze z dodatkiem krzemionki w celu obniżenia lepkości i umożliwienia nadruku tuszu tlenku grafenu. Atrament jest następnie wytłaczany z dyszy do izooktanu, który zapobiega zbyt szybkiemu wysychaniu atramentu. Następnie rozpuszczalnik można usunąć przez liofilizację, podczas gdy krzemionkę można usunąć roztworem kwasu fluorowodorowego. Powstała sieć 3D może być wysoce uporządkowana przy zachowaniu dużych powierzchni i niskich gęstości charakterystycznych dla aerożeli grafenowych.
Właściwości mechaniczne
Aerożele grafenowe wykazują ulepszone właściwości mechaniczne w wyniku swojej struktury i morfologii. Aerożele grafenowe mają moduł Younga rzędu 50 MPa. Można je elastycznie ściskać do wartości odkształcenia >50%. Sztywność i ściśliwość aerożeli grafenowych można częściowo przypisać silnemu wiązaniu sp 2 grafenu i interakcji π-π między arkuszami węglowymi. W aerożelach grafenowych interakcja π-π może znacznie zwiększyć sztywność dzięki silnie zakrzywionym i pofałdowanym obszarom grafenu, co zaobserwowano na obrazach z transmisyjnej mikroskopii elektronowej .
Wykazano, że właściwości mechaniczne aerożelu grafenowego zależą od mikrostruktury, a zatem różnią się w zależności od badań. Rola mikrostruktury we właściwościach mechanicznych zależy od kilku czynników. Symulacje obliczeniowe aerożeli grafenowych pokazują, że ściany grafenu wyginają się pod wpływem naprężenia rozciągającego lub ściskającego. Wynikający z tego rozkład naprężeń z wyginania ścianek grafenu jest izotropowy i może przyczynić się do obserwowanej wysokiej granicy plastyczności. Gęstość aerożelu również może znacząco wpływać na obserwowane właściwości. Znormalizowany moduł Younga jest pokazany obliczeniowo zgodnie z rozkładem prawa potęgowego regulowanym następującym równaniem:
gdzie E jest modułem Younga,
Podobnie wytrzymałość na ściskanie, która opisuje granicę plastyczności przed odkształceniem plastycznym podczas ściskania w aerożelach grafenowych, jest zgodna z rozkładem prawa potęgowego.
gdzie σ y to wytrzymałość na ściskanie, ρ to gęstość aerożelu grafenowego, E s to moduł grafenu, ρ s to gęstość grafenu, a n to współczynnik skalowania prawa potęgowego, który opisuje układ inny niż obserwowany wykładnik w module. Zaobserwowana zależność prawa potęgowego zgadza się z trendami między gęstością a modułem i wytrzymałością na ściskanie obserwowanymi w badaniach eksperymentalnych aerożeli grafenowych.
Wykazano, że zarówno obliczeniowo, jak i eksperymentalnie makroskopowa struktura geometryczna aerożelu wpływa na obserwowane właściwości mechaniczne. Wydrukowane w 3D okresowe sześciokątne struktury aerożelu grafenowego wykazywały o rząd wielkości większy moduł w porównaniu z aerożelami grafenowymi o tej samej gęstości, gdy są nakładane wzdłuż osi pionowej. Zależność sztywności od struktury jest powszechnie obserwowana w innych strukturach komórkowych.
Aplikacje
Ze względu na wysoką porowatość i niską gęstość aerożel grafenowy został zbadany jako potencjalny zamiennik balonów lotniczych. Duży stopień odzyskiwanej ściśliwości i ogólnej sztywności struktury wykorzystano w badaniach gąbek grafenowych zdolnych zarówno do utrzymywania 1000-krotności swojej wagi w cieczy, jak i do odzyskiwania całej wchłoniętej cieczy bez strukturalnego uszkodzenia gąbki ze względu na elastyczność struktury grafenu . Ma to wpływ na środowisko, potencjalnie przyczyniając się do oczyszczania obszarów morskich z ropy naftowej. Może być również używany do zbierania pyłu z ogonów komet .