Airgel dari graphene dan nanotube karbon tidak mempunyai kelemahan pendahulunya • Ivan Lavrenov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Nanoteknologi, Fizik

Airgel dari graphene dan nanotube karbon bebas dari keburukan pendahulunya.

Rajah. 1. A – bata seberat 2.5 kg pada airgel seberat 2 g B – demonstrasi ciri-ciri penebat haba dari airgel (bunga pada sekeping airgel berbaring di atas api pembakar). C – Airgel selepas pengeboman ujian oleh zarah-zarah di Bumi dalam proses penyediaan misi Stardust. Gambar dari stardust.jpl.nasa.gov

Gabungan graphene dan nanotube karbon memungkinkan untuk mendapatkan udara kargo karbon, tanpa kelemahan aerogel yang dihasilkan dari graphene atau dari nanotube sahaja. Bahan komposit karbon baru, sebagai tambahan kepada sifat biasa untuk semua aerogel – ketumpatan yang sangat rendah, kekerasan dan kekonduksian terma yang rendah – juga mempunyai keanjalan yang tinggi (keupayaan untuk mendapatkan semula bentuk selepas tekanan dan strain yang diulangi) dan keupayaan cemerlang untuk menyerap cecair organik. Hartanah terakhir ini boleh digunakan untuk menghapuskan tumpahan minyak.

Dengan definisi, gel adalah salah satu jenis sistem koloid, iaitu penggantungan zarah cair dalam badan yang padat. Komponen pepejal dalam gel adalah jauh lebih kecil dalam isipadu daripada cecair, tetapi ia diwakili oleh zarah berukuran nanometer yang bersentuhan antara satu sama lain dan membentuk rangkaian rantai dan lembaran yang luas, secara berterusan menembusi keseluruhan gel gel.Disebabkan ini, gel tahan ketidakstabilan dan gelatin atau bahkan elastik dan bukan cecair. Sekiranya fasa cecair digantikan sepenuhnya oleh gas (sebagai contoh, udara), kita mendapat udaragel. Fasa pepejal menduduki kurang dari 15% dari volume di dalamnya – sebagai peraturan, sekitar 1% atau bahkan kurang.

Biasanya untuk penyediaan aerogel menggunakan dua kaedah yang berkaitan. Yang pertama ialah pengeringan superkritikal. Jika anda hanya mengeringkan gel, cecair yang bereaksi akan mengetatkan mesh nanopartikel, jadi pengeringan harus dijalankan di bawah keadaan di mana tidak ada ketegangan permukaan, iaitu ketika cairan berada dalam keadaan superkritikal.

Bayangkan kita sedang memanas sebuah kapal tertutup dengan cecair dan wap cecair ini. Semakin tinggi suhu, semakin banyak cecair akan menguap, melewati fasa gas, dan semakin tinggi tekanannya, dan dengan itu ketumpatan fasa gas (sebenarnya, jumlah molekul yang menguap). Pada tekanan dan suhu tertentu, magnitud yang akan bergantung kepada hakikat bahawa untuk bahan dalam sebuah kapal, ketumpatan molekul dalam cecair akan sama seperti dalam fasa gas. Keadaan bendalir ini dipanggil superkritikal. Dalam keadaan ini, tiada perbezaan antara cecair dan fasa gas, dan oleh itu tiada ketegangan permukaan.

Aerogel yang lebih ringan (kurang padat) diperoleh dengan kaedah pemendapan bahan kimia yang akan berfungsi sebagai fasa padat airgel, ke substrat berliang yang telah disediakan sebelum ini, yang kemudian dibubarkan. Kaedah ini membolehkan anda menyesuaikan ketumpatan fasa pepejal (dengan melaraskan jumlah bahan yang disimpan) dan strukturnya (dengan menggunakan substrat dengan struktur yang diperlukan).

Oleh kerana strukturnya, aerogel mempunyai satu set sifat unik. Walaupun kekuatan mereka mendekati pepejal (Rajah 1A), mereka hampir ketumpatan kepada gas. Oleh itu, sampel terbaik airgel kuarza mempunyai ketumpatan kira-kira 2 mg / cm3 (ketumpatan udara masuk ke dalam komposisi mereka – 1.2 mg / cm3 ), yang seribu kali kurang daripada bahan pepejal bukan berliang.

Aerogel juga mempunyai kekonduksian terma yang sangat rendah (Rajah 1B), kerana haba perlu melewati laluan yang kompleks melalui rangkaian luas rantai nanopartikel yang sangat tipis. Pada masa yang sama, pemindahan haba melalui fasa udara juga sukar kerana hakikat bahawa rantai yang sama membuat perolakan mustahil, tanpa kekonduksian haba udara sangat rendah.

Satu lagi harta airgel – keliangan yang luar biasa – menjadikannya mungkin untuk menyampaikan sampel debu antar planet ke Bumi (lihat pengumpul habuk Star pulang ke rumah, Elemen, 14 Januari 2006) menggunakan kapal angkasa Stardust. Peranti pengumpulannya adalah unit airgel, ketika jatuh ke mana zarah debu berhenti dengan percepatan beberapa miliar gtanpa runtuh (Rajah 1C).

Kelemahan utama airgel sehingga baru-baru ini kerapuhannya: ia retak di bawah beban yang berulang. Semua aerogel yang diperoleh pada masa itu – dari kuarza, beberapa oksida logam, dan karbon – mempunyai kelemahan ini. Tetapi dengan kemunculan bahan karbon baru – graphene dan nanotube karbon – masalah mendapatkan elastik dan tahan terhadap pemusnahan aerogel telah diselesaikan.

Graphene adalah lembaran satu atom tebal, di mana atom karbon membentuk kisi heksagon (setiap sel kisi ialah heksagon), dan nanotube karbon adalah lembaran yang sama dilancarkan ke dalam silinder dari satu hingga puluhan nanometer tebal. Bentuk karbon ini mempunyai kekuatan mekanikal yang tinggi, keanjalan, kawasan permukaan dalaman yang sangat tinggi, serta kekonduksian haba dan elektrik yang tinggi.

Walau bagaimanapun, bahan-bahan yang disediakan secara berasingan daripada graphene atau berasingan daripada nanotube karbon juga mempunyai kekurangannya. Jadi, airgel graphene dengan ketumpatan 5.1 mg / cm3 tidak runtuh di bawah beban, melebihi beratnya sendiri sebanyak 50,000 kali, dan mendapat semula bentuknya selepas mampatan sebanyak 80% daripada saiz aslinya. Walau bagaimanapun, disebabkan bahawa lembaran grafik mempunyai kekukuhan lenturan yang tidak mencukupi, pengurangan ketumpatan mereka memberi kesan kepada sifat anjal airgel graphene.

Airgel yang diperbuat daripada nanotube karbon mempunyai kelemahan yang lain: ia lebih tegar, tetapi tidak dapat mengembalikan bentuknya selepas penyingkiran beban, kerana nanotube di bawah beban tidak dapat dibalik dan terikat, dan beban kurang dipindahkan di antara mereka.

Ingat bahawa ubah bentuk adalah perubahan dalam kedudukan zarah badan fizikal yang relatif terhadap satu sama lain, dan ubah bentuk anjal adalah bentuk ubah bentuk yang hilang dengan kehilangan daya yang menyebabkannya. "Tahap" keanjalan badan (modulus elastik yang disebut) ditentukan oleh pergantungan tegasan mekanikal yang timbul di dalam sampel apabila penggunaan daya ubah bentuk pada ubah bentuk elastik sampel. Ketegangan dalam kes ini adalah daya yang digunakan untuk sampel per unit kawasannya.(Tidak perlu dikelirukan dengan voltan elektrik!)

Sebagai sekumpulan saintis Cina telah menunjukkan, kelemahan ini sepenuhnya dibayar jika graphene dan nanotube digunakan dalam penyediaan airgel pada masa yang sama. Pengarang artikel yang sedang dibincangkan di Bahan lanjutan Satu larutan nanotubes dan graphene oxide digunakan, air dari mana telah dibuang oleh pembekuan dan penyejatan ais lyophilization (lihat juga pengeringan beku), yang juga menghapuskan ketegangan permukaan, selepas itu graphene oxide telah dikurangkan secara kimia ke graphene. Dalam struktur yang terhasil, lembaran graphene berfungsi sebagai rangka, dan nanotube berfungsi sebagai tulang rusuk yang mengeras pada lembaran ini (Rajah 2A, 2B). Seperti yang ditunjukkan oleh kajian di bawah mikroskop elektron, lembaran graphene bertindih antara satu sama lain dan membentuk kerangka tiga dimensi dengan pori-pori yang berukuran dari puluhan nanometer hingga puluhan mikrometer, dan nanotube karbon membentuk rangkaian terikat dan ketat berpegang pada lembaran graphene. Rupa-rupanya, ini disebabkan oleh penyingkiran nanotube dengan mengembangkan kristal ais semasa pembekuan penyelesaian awal.

Rajah. 2 Di atas (A, B): struktur mikro airgel komposit graphene dan nanotube pada pembesaran yang berlainan. Turun di bawah (C, D): sampel airgel.Foto dari artikel dibincangkan di Bahan lanjutan

Ketumpatan sampel ialah 1 mg / cm3 tanpa udara (Rajah 2C, 2D). Dan menurut pengiraan dalam model struktur yang dikemukakan oleh penulis, ketumpatan minimum di mana gergaji bahan permulaan yang digunakan masih mengekalkan integriti struktur adalah 0.13 mg / cm3yang hampir 10 kali kurang ketumpatan udara! Penulis dapat menyediakan airgel komposit dengan ketumpatan 0.45 mg / cm3 dan airgel hanya dari graphene dengan kepadatan 0.16 mg / cm3yang kurang daripada rekod terdahulu yang dimiliki oleh airgel ZnO yang disimpan di atas substrat dari fasa gas. Pengurangan kepadatan dapat dicapai dengan menggunakan grafik yang lebih luas, tetapi ini mengurangkan ketegaran dan kekuatan bahan yang diperoleh.

Apabila diuji, sampel seperti airgel komposit mengekalkan bentuk dan mikrostrukturnya selepas 1000 tekanan mampatan sebanyak 50% daripada saiz asal. Rintangan kepada mampatan hampir berkadar dengan ketumpatan airgel dan dalam semua sampel secara beransur-ansur meningkat dengan peningkatan ubah bentuk (Rajah 3A). Dalam julat dari -190 ° C hingga 300 ° C, sifat anjal aerogel yang diperolehi hampir tidak bergantung kepada suhu.

Rajah. 3 Reaksi sampel airgel ke beban berulang dan ketegangan. A – stres berbanding terikan dalam ujian udara dengan ketumpatan 1 mg / cm3 pada beban berulang dalam mampatan (garis hitam – kitaran pertama merah – kesepuluh, biru – 1000). B – ujian sampel airgel dengan ketumpatan 1.5 mg / cm3 pada regangan. Sila ambil perhatian bahawa voltan pada graf kanan diberikan dalam kPa, dan di sebelah kiri – Pa. Apabila regangan sebanyak 10%, puluhan kali lebih banyak tekanan diperhatikan daripada dengan mampatan yang sama, yang menunjukkan kekakuan yang lebih besar dari bahan di bawah ketegangan. Gambar dari artikel dibincangkan di Bahan lanjutan

Ujian tarik (Rajah 3B) dilakukan pada sampel dengan ketumpatan 1 mg / cm3, dan sampel bertahan dengan regangan sebanyak 16.5%, yang benar-benar tidak dapat difahami untuk aerogel oksida, yang akan retak serta-merta apabila regangan. Di samping itu, kekukuhan tegangan lebih tinggi daripada semasa pemampatan, iaitu, sampel itu mudah dihancurkan dan diregangkan dengan kesukaran.

Penulis menyifatkan set sifat ini untuk interaksi sinergistik graphene dan nanotube, di mana sifat-sifat komponen melengkapi satu sama lain. Nanotub karbon yang meliputi helaian graphene berfungsi sebagai pautan antara helaian bersebelahan, yang meningkatkan pemindahan beban di antara mereka, serta menaikkan tulang rusuk untuk lembaran itu sendiri.Disebabkan ini, beban tidak menyebabkan lembaran bergerak relatif kepada satu sama lain (seperti dalam airgel graphene tulen), tetapi untuk ubah bentuk elastik lembaran itu sendiri. Dan kerana nanotube sesuai dengan kepingan dengan kepingan dan kedudukan mereka ditentukan oleh kedudukan helaian, mereka tidak mengalami ubah bentuk yang tidak dapat dipulihkan dan melengkung dan tidak bergerak relatif terhadap satu sama lain di bawah beban, seperti airgel yang tidak teratur hanya dari nanotube. Airgel, yang terdiri daripada grafena dan nanotube, mempunyai sifat optimum, dan dengan peningkatan kandungan nanotube, mereka mula membentuk "kusut", seperti dalam airgel hanya dari nanotube, yang mengakibatkan kehilangan keanjalan.

Sebagai tambahan kepada ciri-ciri elastik yang digambarkan, airgel karbon komposit juga mempunyai sifat-sifat luar biasa lain. Ia adalah konduktif elektrik, dan kekonduksian elektrik berubah secara berulang dengan ubah bentuk elastik. Selain itu, airgel dari graphene dan nanotube karbon menembusi air, tetapi dengan sempurna menyerap cecair organik – 1.1 g toluena telah diserap sepenuhnya oleh sekeping airgel seberat 3.2 mg dalam 5 saat dalam air (Rajah 4). Ini membuka peluang yang sangat baik untuk penghapusan tumpahan minyak dan pemurnian air dari cecair organik: hanya 3.5 kg seperti airgel dapat menyerap satu tan minyak, yang 10 kali lebih banyak,daripada kapasiti penyerap yang digunakan secara komersil. Dalam kes ini, penyerap dari airgel komposit telah diperbaharui: disebabkan oleh keanjalan dan kestabilan terma, cecair yang diserap boleh dicuci seperti dari span, dan selebihnya hanya dibakar atau dikeluarkan oleh penyejatan. Ujian telah menunjukkan bahawa sifat-sifat tersebut berterusan selepas 10 kitaran sedemikian.

Rajah. 4 Penyerapan cecair airgel organik (dalam kes ini berwarna toluena). Pada setiap gambar di sebelah kanan turun di bawah menandakan masa berlalu dari saat hubungan udaragel dan cecair. Gambar dari artikel dibincangkan di Bahan lanjutan

Pelbagai bentuk karbon dan sifat-sifat unik dari bentuk-bentuk dan bahan-bahan yang diperolehi dari mereka terus memukau penyelidik, sehingga pada masa depan kita dapat mengharapkan lebih banyak penemuan di kawasan ini. Berapa banyak perkara yang boleh dibuat daripada hanya satu unsur kimia!

Sumber: Haiyan Sun, Zhen Xu, Chao Gao. Pelbagai fungsi, Ultra-Flyweight, Aerogels Karbon Bersama yang Digabungkan // Bahan Lanjutan. 2013. V. 25. P. 2554-2560.

Lihat juga:
1) Wencai Ren & Hui-ming Cheng. Apabila dua lebih baik daripada satu // Alam. 2013. V. 497. P. 448-449.
2) Tim Skorenko. Apabila udara nampaknya berat, Mekanik Popular, No. 6, 2013.

Ivan Lavrenov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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