Loji Marsh mendorong idea mewujudkan aerogel grafik yang kuat dan fleksibel • Arkady Kuramshin • Berita sains mengenai "Unsur" • Sains bahan, Nanoteknologi

Kilang Marsh mencadangkan idea mewujudkan aerogel grafik yang kuat dan fleksibel

Rajah. 1. Struktur batang pinggang keputihan (T. dealbata) dan dicipta dalam imejnya dan serupa dengan airgel graphene. a – paya pinggang tumbuhan pucat. b dan dengan – imej struktur pelbagai peringkat batang tumbuhan, yang diperolehi menggunakan optik (b) dan mengimbas elektronik (dengana) mikroskop; lapisan lamellar berorientasikan selari dari batang dengan ketebalan 10 μm disambungkan satu sama lain oleh jambatan melintang panjang kira-kira satu milimeter. d – Skim kaedah pembekuan dwiarah (pembekuan dua-gradien), yang merupakan kunci untuk sintesis airgel graphene. e – perwakilan skematik dari udara yang diperoleh. f – imej yang diperoleh menggunakan mikroskop elektron imbasan menunjukkan struktur airgel. Imej dari artikel dalam perbincanganACS Nano

Ahli kimia Cina memperoleh aerogel graphene tahan lama dan elastik, meniru struktur batang pinggang keputihan paya rumput. Bahan baru menahan banyak kitaran "mampatan / pengembangan", sambil mengekalkan sifat mekanikal dan elektriknya. Ia diandaikan bahawa ia boleh berfungsi untuk mencipta peranti elektronik baru yang lebih cekap.

Aerogel adalah kelas bahan yang agak baru dengan ketumpatan yang sangat rendah, kerana struktur poros mereka: bkira-kiraBahagian terbesar dari jumlah airgel diduduki oleh liang sehingga 100 nanometer dalam saiz. Kita boleh katakan bahawa aerogel adalah udara 99%. Untuk menyentuh, mereka menyerupai busa ringan tetapi padat, sejenis buih. Apabila beban yang kuat digunakan, aerogel boleh merosot, tetapi secara umum mereka adalah bahan yang sangat tahan lama.

Dikenali sejak tahun 1930-an, aerogel berdasarkan oksida silikon, aluminium, kromium dan timah digunakan sebagai penebat haba dan bahan penahan haba, termasuk dalam pembinaan. Airgel kuarza bertahan dengan beban sebanyak 2000 kali dengan berat dan suhu sendiri sehingga 650 ° C, dan lapisan seperti udara berukuran 2.5 cm tebal cukup untuk melindungi tangan manusia dari kesan langsung api menyembur.

Oleh kerana keliangan udara yang luar biasa, ia boleh menyampaikan sampel debu antar planet ke Bumi (lihat: Pengumpul habuk bintang pulang ke rumah, Elemen, 14 Januari 2006). Pada kapal angkasa Stardust telah dipasang satu blok airgel kuarza, jatuh ke dalam mana zarah-zarah debu, berkurang dengan pecutan beberapa bilion gberhenti tanpa runtuh.

Pada akhir tahun 1990-an, aerogel pertama dari karbon diperoleh, dan penemuan pada tahun 2004 dari graphene memungkinkan untuk menggabungkan dua jenis nanosystem dalam satu jenis bahan: pada tahun 2010, aerogel graphene diperoleh (lihat: Airgel dari graphene dan nanotube karbon kekurangan pendahulunya, "Elements", 07/15/2013).

Aerogel grafik ultralable dan tahan lama dan derivatifnya adalah bahan konduktif elektrik yang menarik untuk digunakan sebagai pemangkin, elektrod, atau komponen elektronik fleksibel. Walau bagaimanapun, sehingga baru-baru ini, aerogel tersebut tidak mempunyai ciri yang sangat penting – keanjalan. Percubaan berulang untuk mendapatkan aerogel yang fleksibel dan elastik dari karbon dengan menggabungkan graphene dan nanotube karbon dalam struktur hanya menyelesaikan sebahagian daripada masalah. Keanjalan bahan meningkat, tetapi disebabkan oleh fakta bahawa nanotube yang memberi keanjalan itu dibina ke dalam struktur bahan yang tidak teratur, bahagian-bahagian yang berlainan bahan tersebut mempunyai sifat elektronik yang berlainan.

Penyelidik dari Universiti Zhejiang (China), di bawah kepimpinan Hao Bai, berjaya menyelesaikan masalah ini: mereka dapat memperoleh airgel yang dapat ditekan dari graphene dengan struktur dalaman yang tetap. Untuk pembangunannya digunakan pendekatan biomimetik, apabila idea dan elemen utama dipinjam dari alam semula jadi. Sebagai prinsip struktur bahan baru, ahli-ahli sains telah memilih struktur dalaman berombak dalaman puting tangkai putih (Thalia dealbata).

Batang putih yang kuat dan fleksibel, yang berkembang terutamanya di perairan dan sepanjang tebing-tebing di tengah dan tenggara Amerika Syarikat, dapat menahan angin angin yang kuat. Kajian mengenai struktur batang tumbuhan ini menunjukkan bahawa kekuatan batang ditentukan oleh struktur lamellar yang berorientasikan sel sel padat, yang bersambung dengan satu sama lain oleh "jambatan" yang lebih halus. (Dalam bahan kimia, lapisan-lapisan nipis berorientasikan selari dan selari dengan struktur yang diperintahkan biasanya dipanggil lamellae, yang boleh dipisahkan sama ada dengan bahan pepejal dengan tahap yang lebih rendah daripada perintah, atau oleh cecair atau gas.) Ketebalan struktur ini adalah 100-200 mikrometer.Peranan jambatan adalah dua kali ganda: membentuk struktur seperti bersih, mereka memberikan kekuatan tangkai, tetapi, menjadi lebih nipis, mereka, seperti mata air yang unik, membuat tangkai fleksibel dan anjal.

Para penyelidik memutuskan untuk menghasilkan semula struktur yang sama di udara. Menggunakan teknik pembekuan dua-gradien yang sebelum ini dibangunkan oleh Bai (H. Bai et al., 2015. Bahan-bahan berpori berskala berskala berskala besar yang dipasang dengan gradien suhu dua) dan direka untuk menghasilkan struktur mikro dan nano yang besar (dengan dimensi linier sekurang-kurangnya satu sentimeter) , para penyelidik membuat kubus udara dengan pinggir 10 mm. Inti teknik pembekuan dua kecerunan adalah seperti berikut: bahan cair disejukkan sedemikian rupa, dengan mengorbankan penempatan yang disusun dengan baik unsur-unsur penyejukan, suhu berkurang secara serentak dalam dua arah – secara menegak dan mendatar. Dalam rangka kerja yang sedang dibahas, bahan cair untuk mendapatkan airgel graphene elastis adalah penggantungan graphene oxide dalam larutan alkohol polyvinyl berair.

Dalam proses pembekuan kristal ais berlaku, berfungsi sebagai templat, di mana penggantungan kemudian dibekukan.Struktur tempur memastikan bahawa semasa pembekuan, struktur dibentuk di mana serpihan lamellar berorientasi selari graphene oxide dijahit dengan jambatan melintang. Saiz dan bentuk kristal ais dan, oleh itu, seni bina akhir airgel – mikrostrukturnya, keliangan dan orientasi bersama liang-liang – ditentukan oleh kadar penyejukan pada setiap arah, tumpuan dan kelikatan penggantungan, bahan ruang di mana penyejukan dijalankan, dan faktor-faktor lain. Selepas pembentukan struktur berliang tiga dimensi graphene oxide, pengeringan lyophilic struktur ini dijalankan dan pengurangannya dengan hidrogen kepada airgel graphene, meniru struktur batang T. dealbata. Airgel yang dihasilkan mempunyai semua sifat yang diperlukan untuk digunakan dalam elektronik fleksibel: kekuatan, keanjalan, kekonduksian elektrik dan ketumpatan rendah (kira-kira 7 mg setiap cm3).

Kubus yang terhasil dari airgel tidak runtuh di bawah pemampatan di bawah pengaruh beban berat: ia hanya dimampatkan oleh separuh, dan setelah mengeluarkan beban, ia memulihkan bentuk aslinya (Rajah 2). Selain itu, didapati bahawa walaupun selepas beribu-ribu kitaran mampatan dan pemulihan bentuk, udara tetap mengekalkan kekonduksian elektrik dan sekurang-kurangnya 85% kekuatan mekanikal.Sebagai perbandingan, aerogel yang diketahui dengan struktur berliang yang bercelaru biasanya kehilangan sehingga separuh kekuatan selepas sepuluh tekanan.

Rajah. 2 Airgel Graphene mengembalikan bentuk asal selepas pemampatan di bawah pengaruh objek, jisim yang lebih daripada 6000 kali jisim airgel itu sendiri. Imej dari artikel dalam perbincangan ACS Nano

Para penyelidik mencadangkan bahawa kaedah yang dicadangkan untuk mendapatkan aerogel graphene elastik dengan struktur tetap boleh diperkecil dan kaedah ini kelihatan lebih murah dan lebih berkesan daripada pendekatan lain untuk mendapatkan aerogel dengan struktur tiga dimensi yang diperintahkan, contohnya, menggunakan percetakan tiga dimensi.

Sumber: Miao Yang, Nifang Zhao, Ying Cui, Weiwei Gao, Qian Zhao, Chao Gao, Hao Bai, Tao Xie. Graphene Airgel Architectural Biomimetic dengan Kekuatan dan Ketahanan Luar Biasa // ACS Nano. 2017. DOI: 10.1021 / acsnano.7b01815.

Arkady Kuramshin


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: :???: :?: :!: