Аэрографит претендует на звание самого лёгкого материала в мире

Самый лёгкий в мире материал кажется невесомым. Снимок сделан при помощи сканирующего электронного микроскопа (фото TUHH).

Кристаллизованный оксид цинка показан белым цветом. При добавление в систему водорода уходят пар и газообразный цинк, остаётся лишь аэрографит (фото TUHH).

Тетраподы, образованные из оксида цинка (фото TUHH).

Аэрографит отталкивает воду, проводит электрический ток и хорошо поглощает световые лучи, отчего кажется чёрным как смоль (фото KU).

Немецкие учёные создали самый лёгкий материал, поставив очередной мировой рекорд. Безусловный лидер в своей области, аэрографит, получен командой исследователей из технического университета Гамбурга (Technische Universität Hamburg-Harburg — TUHH) и Кильского университета Кристиана-Альбрехтса (Christian-Albrechts Universität zu Kiel — KU).

Инновационный материал на 99,99% состоит из воздуха. Оставшееся пространство заполняет трёхмерная сеть пористых углеродных трубок, вырастающих друг из друга.

Аэрографит — это чёрный, непрозрачный, чрезвычайно стабильный, пластичный материал, плотностью менее 0,2 мг/см3. Даже если его сжать в 1000 раз, то он снова приобретёт первоначальную форму без каких-либо повреждений, более того, упрочит свою структуру, уверяют исследователи.

В видеоролике ниже показано, как образец аэрографита сжимается на 95% и затем восстанавливает свою форму. Диаметр "стержня" из материала – 9 миллиметров.

"Наша работа вызвала множество дискуссий в научном сообществе, — рассказывает один из авторов работы Маттиас Мекленбург (Matthias Mecklenburg). – Как и предыдущий рекордсмен, никелевая микрорешётка, наш материал состоит из трубок. Однако атомная масса углерода значительно ниже, чем у никеля. Кроме того, у нас есть возможность создавать трубки с пористой структурой, что открывает более широкие возможности для применения нового материала".

"Выращивание аэрографита – это завораживающий процесс, который напоминает разрастание сетей из стеблей плюща вокруг дерева", — поясняет соавтор исследования Арним Шухард (Arnim Schuchard). В роли "дерева" выступает матрица из порошка оксида цинка. При нагревании до 900 °С он переходит в кристаллическую форму.

Исследователи формируют из этой массы подобие таблетки, в которой образуется пористая структура из микро- и нанотетраподов (показаны на фотографии), которые и становятся основой для получения аэрографита.

На втором этапе таблетки из оксида цинка помещали в реактор, разогретый до 760 °С. Образец обдувал поток газа, обогащённого углеродом. После такой обработки таблетка покрывалась слоем графита толщиной всего в несколько атомов. Одновременно в систему вводился водород, который реагировал с оксидом цинка с выделением водяного пара и газообразного цинка. В итоге оставалась только тончайшая графитовая сеть из пористых трубок.

"Чем быстрее образуется цинк, тем более пористую структуру графита мы получаем", — заключает доктор Мекленбург. Такая технология позволяет на всех этапах контролировать процесс и получать материал разной формы и размера (вплоть до нескольких кубических сантиметров).

Аэрографит обладает высокой электропроводностью и химической устойчивостью. В видеоролике ниже хлопья аэрографита демонстрируют электрические свойства нового материала.

Исследователи предполагают, что новый материал может с большим успехом быть использован, например, в литиево-ионных батареях. В этом случае он поможет значительно снизить их вес, а значит, решить одну из проблем, ограничивающих массовое распространение электромобилей и электрических велосипедов.

Ещё одним потенциальным потребителем новейшей технологии могут стать авиация и космическая промышленность. Большие перспективы новому материалу пророчат и в сфере водоочистки.

Технология получения и свойства аэрографита описаны в статье, вышедшей в журнале Advanced Materials.

Напомним, что до настоящего момента пальму первенства делили между собой металлическая микрорешетка с плотностью 0,9 мг/см3 и слегка уступающий ей аэрогель с плотностью 1 мг/см3. Добавим также, что аэрогель был использован NASA для сбора пыли с кометы.