Poszukiwanie materiałów zdolnych do zmniejszenia zużycia energii i poprawy wydajności strukturalnej stało się głównym celem przemysłu i nauki. W tym kontekście decydujące znaczenie miało ostateczne stworzenie w laboratorium najlżejszego znanego dotychczas materiału stałego.
Jego niska gęstość nie oznacza kruchości, ale właściwości mechaniczne, które stawiają go ponad wieloma konwencjonalnymi materiałami. Oczywiście ta równowaga wzbudziła zainteresowanie laboratoriów i firm poszukujących bardziej wydajnych alternatyw z punktu widzenia strukturalnego i środowiskowego.
Jaki jest najlżejszy materiał stały na świecie, bardziej wytrzymały niż stal?
Aerograf, znany również jako aerogel grafenowy, jest uważany przez wiele badań za najlżejszy materiał stały, jaki kiedykolwiek stworzono. Jego gęstość wynosi około 0,16 miligrama na centymetr sześcienny, co jest wartością niezwykle niską w porównaniu z tradycyjnymi materiałami stosowanymi w przemyśle.
Jak wyjaśnia badanie opublikowane w czasopiśmie ECS Transactions, związek ten powstaje w wyniku połączenia dwóch materiałów znanych już ze swojej lekkości i właściwości fizycznych: aerożelu i grafenu. Aerożel wyróżnia się porowatą strukturą i minimalną wagą, natomiast grafen jest dwuwymiarową formą węgla znaną ze swojej wytrzymałości i przewodności.
Połączenie obu tych materiałów daje w rezultacie ultralekką trójwymiarową sieć, utworzoną z połączonych ze sobą warstw grafenu.
W rezultacie powstaje ciało stałe, które pomimo swojego kruchego wyglądu charakteryzuje się bardzo wysoką wytrzymałością. Różne badania, takie jak opublikowane w czasopiśmie Materials, wykazały, że może on wytrzymać znaczne obciążenia i odzyskać swój kształt po ekstremalnym ściskaniu, co jest rzadkością w przypadku materiałów o tak niskiej gęstości.
Właściwości mechaniczne i zachowanie aerożelu, najlżejszego materiału stałego na świecie
Jednym z aspektów budzących największe zainteresowanie w związku z aerożelem jest jego wydajność mechaniczna. Pomimo tego, że jest najlżejszym materiałem stałym, jego wytrzymałość może być nawet dziesięciokrotnie większa niż stal, jeśli analizuje się ją pod kątem stosunku siły do masy.
Wśród najważniejszych właściwości znajdują się:
- Wysoka elastyczność, z możliwością wytrzymania odkształceń powyżej 90% bez trwałych uszkodzeń.
- Efektywny rozkład obciążeń dzięki porowatej strukturze wewnętrznej.
- Długotrwała stabilność mechaniczna, nawet po dziesiątkach tysięcy cykli ściskania.
Moduł Younga aerografitu, który mierzy sztywność materiału, zmienia się w zależności od jego gęstości i struktury wewnętrznej, osiągając wysokie wartości jak na materiał o takich właściwościach. To połączenie lekkości i wytrzymałości wyjaśnia, dlaczego jest on badany jako realna alternatywa dla materiałów metalowych lub cięższych kompozytów.
Ponadto jego struktura oparta na wiązaniach węglowych typu sp² przyczynia się do znacznej odporności na zmęczenie, co jest czynnikiem decydującym w zastosowaniach przemysłowych, gdzie trwałość ma zasadnicze znaczenie.
W jakich branżach można zastosować aerograf i jaki jest jego potencjał?
Chociaż aerograf jest nadal materiałem w fazie rozwoju, jego potencjał zastosowania obejmuje wiele sektorów. Zainteresowanie nie ogranicza się do jego właściwości jako najlżejszego materiału stałego, ale obejmuje również jego właściwości termiczne, elektryczne i chemiczne.
W przemyśle lotniczym bada się go jako element konstrukcyjny w celu zmniejszenia masy bez utraty wytrzymałości. W dziedzinie energetyki pojawia się jako kandydat do poprawy wydajności baterii i superkondensatorów dzięki wysokiej przewodności i powierzchni wewnętrznej. Analizowane jest również jego zastosowanie w czujnikach elektronicznych, izolacji termicznej i zaawansowanych powłokach.
Inne kierunki badań dotyczą jego zdolności do absorbowania olejów i substancji zanieczyszczających, co otwiera drzwi do zastosowań w gospodarce ściekowej i oczyszczaniu środowiska. Jego porowata struktura pozwala na wychwytywanie cieczy bez naruszania ich integralności, co jest szczególnie cenione w scenariuszach kontroli wycieków.
Aerografena została opracowana w 2013 r. przez zespół naukowców z Uniwersytetu Zhejiang w Chinach w procesie liofilizacji tlenku grafenu w połączeniu z nanorurkami węglowymi. Metoda ta pozwoliła na usunięcie tlenu z materiału i uzyskanie stabilnej struktury trójwymiarowej.
Jeśli chodzi o możliwe zastosowania środowiskowe, Gao Chao, badacz odpowiedzialny za projekt, powiedział wówczas: „Być może będziemy mogli rozsypać ten materiał w morzu w przypadku wycieku ropy, aby szybko ją wchłonął”.