Selon les scientifiques, le matériau qu’ils ont « dérivé » se caractérise par une résistance et une élasticité extrêmement élevées. Il est capable de reprendre rapidement sa forme après compression, d'absorber et de retenir un grand volume de substances qui ne se dissolvent pas dans l'eau - jusqu'à 900 fois son propre poids

Un matériau appelé aérographite, créé l'année dernière, n'a pas réussi à conserver le titre de matériau léger dans le monde. La couronne devait être donnée à un nouvel aérogel fabriqué à partir de graphène, le matériau miracle du XXIe siècle. La densité des matériaux ultralégers est inférieure à celle de l’hélium et la moitié de celle de l’hydrogène.

Le nouveau matériau a été développé par un groupe de chercheurs dirigé par le professeur Gao Chao du laboratoire du Département de technologie et de science des polymères de l'Université du Zhejiang (Chine).

Les aérogels, créés à l'origine en 1931 par le scientifique et ingénieur chimiste américain Samuel Stevens Kistler, dernièrement a commencé à recevoir beaucoup d’attention. En 2011, un aérogel à base de multicouche nanotubes de carbone(MCNT), également connu sous le nom de fumée gelée, d'une densité de 4 mg/cm3 a cédé la place au matériau le plus léger au monde avec une structure en micro-réseau, dont la densité est de 0,9 mg/cm3. Plus tard, il a été remplacé par l'aérographite (0,18 mg/cm3), dont le triomphe s'est avéré tout aussi éphémère. Aujourd'hui, le palmier appartient à l'aérogel de graphène. Sa densité est de 0,16 mg/cm3.

Les chercheurs ont déjà de l’expérience dans la création de matériaux macroscopiques à base de graphène, en particulier de fibres unidimensionnelles et de films bidimensionnels à base de graphène. Pour établir le record, il leur suffisait d’ajouter une dimension et d’obtenir un matériau poreux tridimensionnel.

Au lieu de la technologie sol-gel et d'autres méthodes utilisées pour créer des aérogels, Gao a utilisé nouvelle façon séchage, ce qui a permis de créer une éponge de carbone avec une forme personnalisable.

« Il n'est pas nécessaire d'utiliser des gabarits car la taille du matériau dépend directement de la taille du conteneur. Plus le récipient est grand, plus il y a d'aérogel. On peut parler de milliers de centimètres cubes, mais ce n’est pas la limite. »

Selon les scientifiques, le matériau qu’ils ont « dérivé » se caractérise par une résistance et une élasticité extrêmement élevées. Il est capable de reprendre rapidement sa forme après compression, d'absorber et de retenir un grand volume de substances qui ne se dissolvent pas dans l'eau - jusqu'à 900 fois son propre poids. C'est difficile à croire, mais en une seconde, un gramme d'aérogel absorbe jusqu'à 68,8 grammes de matière organique, ce qui le rend attrayant pour une utilisation sur les sites de déversements de pétrole.

« Peut-être qu’un jour cela contribuera à prévenir une catastrophe environnementale. Grâce aux propriétés élastiques du matériau, l'huile et l'aérogel collectés peuvent être recyclés », explique Gao.

Les chercheurs étudient les possibilités d'utilisation du nouveau matériau. Selon eux, l’aérogel de graphène peut être utilisé comme matériau isolant, support de catalyseur ou composite haute performance.

Aérogels (de lat. avion- l'air et gelatus- congelé) - une classe de matériaux qui sont un gel dans lequel phase liquide complètement remplacé par du gaz, ce qui confère à la substance une densité record, seulement une fois et demie supérieure à la densité de l'air, et un certain nombre d'autres qualités uniques : dureté, transparence, résistance à la chaleur, conductivité thermique extrêmement faible et le manque d'absorption d'eau.

Vue générale de l'aérogel

L'aérogel est également unique dans la mesure où il est composé à 99,8 %... d'air !

Les aérogels à base de dioxyde de silicium amorphe, d'alumine et d'oxydes de chrome et d'étain sont courants. Au début des années 1990, les premiers échantillons d’aérogel à base de carbone ont été obtenus.

L'Aérogel est une création très inhabituelle de mains humaines, un matériau récompensé de 15 positions dans le Livre Guinness des Records pour ses qualités uniques.

Les aérogels appartiennent à la classe des matériaux mésoporeux, dans lesquels les cavités occupent au moins 50 % du volume. La structure des aérogels est un réseau arborescent de nanoparticules regroupées de 2 à 5 nm et de pores allant jusqu'à 100 nm.

Au toucher, les aérogels ressemblent à une mousse légère mais dure, un peu comme la mousse de polystyrène. Sous une charge importante, l'aérogel se fissure, mais en général, il s'agit d'un matériau très durable : un échantillon d'aérogel peut supporter une charge équivalant à 2 000 fois son propre poids. Les aérogels, notamment ceux à quartz, sont de bons isolants thermiques.

Les aérogels de quartz sont les plus courants et détiennent également le record actuel de la plus faible densité. solides— 1,9 kg/m³, soit 500 fois moins de densité de l'eau et seulement 1,5 fois plus de densité air.

Les aérogels de quartz sont également populaires en raison de leur conductivité thermique extrêmement faible (~0,017 W/(m.K) dans l'air à des températures normales. pression atmosphérique), inférieure à la conductivité thermique de l'air (0,024 W/(m.K)).

Application de l'aérogel

Les aérogels sont utilisés dans la construction et l'industrie comme matériaux d'isolation thermique et de rétention de chaleur pour l'isolation thermique des canalisations en acier, de divers équipements soumis à des processus à haute et basse température, des bâtiments et d'autres objets. Il peut résister à des températures allant jusqu'à 650°C, et une couche de 2,5 cm d'épaisseur suffit à le protéger. main humaine d'une exposition directe à un chalumeau.

Le point de fusion du quartz Aerogel est de 1200°C.

Production d'aérogel

Le processus de production d’aérogels est complexe et demande beaucoup de main d’œuvre. Tout d’abord, le gel polymérise à l’aide de réactions chimiques. Cette opération prend plusieurs jours et le résultat est un produit gélatineux. Ensuite, l'eau est retirée de la gelée avec de l'alcool. Sa suppression complète est la clé du succès de l’ensemble du processus. L’étape suivante est le séchage « supercritique ». Il est produit dans un autoclave à haute pression et température, en utilisant du dioxyde de carbone liquéfié.

La primauté dans l'invention de l'aérogel est reconnue par le chimiste Steven Kistler du College of the Pacific de Stockton, Californie, États-Unis, qui a publié ses résultats en 1931 dans la revue Nature.

Kistler a remplacé le liquide du gel par du méthanol, puis a chauffé le gel sous pression jusqu'à ce qu'il atteigne température critique méthanol (240°C). Le méthanol a quitté le gel sans diminuer de volume ; En conséquence, le gel a « séché », presque sans rétrécir.

Impression 3D avec aérogel de graphène

• imprimantes 3D,
• Science populaire *

Cet article est une traduction de « Vous pouvez désormais imprimer en 3D l’un des matériaux les plus légers au monde » du site qz.com, et j’en ai ajouté un peu moi-même.

Aujourd'hui, des scientifiques de l'Université d'État de New York (SUNY) et de l'Université d'État du Kansas ont publié dans la revue Small une méthode d'impression 3D avec un aérogel de graphène. Cette technologie simplifie le moulage de produits à partir de ce matériau et élargit le champ de son application.

Le graphène est une couche d’atomes de carbone d’un atome d’épaisseur. Il a été reçu pour la première fois en 2004. Et a depuis été présenté comme un matériau étonnant pour sa résistance, sa ductilité et sa conductivité. L'aérogel est essentiellement un gel ordinaire dans lequel l'eau est remplacée par de l'air. Aérogel de graphène connu pour sa haute compressibilité (il peut donc résister hypertension artérielle sans s'effondrer) et haute conductivité. La structure même du matériau, qui lui confère ces qualités, rend son utilisation difficile en impression 3D. Généralement, pour l’impression 3D sur aérogel, le matériau de base est mélangé à d’autres ingrédients tels qu’un polymère. Après avoir donné la structure, le polymère est retiré processus chimique(solvants, etc.). Cette méthode ne convient pas à la production de produits à partir d'aérogel de graphène car détruira la structure du graphène.

Des scientifiques de SUNY Buffalo et de la Kansas State University ont trouvé une solution à ce problème. Ils ont mélangé de l’oxyde de graphène avec de l’eau et imprimé en 3D ce mélange sur un substrat à une température de -25 C°. Ils ont donc gelé chaque couche imprimée en utilisant de la glace comme support.

Une fois le processus d'impression terminé, la glace a été retirée azote liquide- séchage par sublimation. De cette façon, ils ont éliminé l’eau de la structure sans endommager la microstructure. Le matériau a ensuite été chauffé pour éliminer l’atome d’oxygène. En conséquence, seul le graphène est resté dans l’aérogel. La densité du matériau ainsi obtenu variait de 0,5 kg/m3 à 10 kg/m3. La densité de l'aérogel le plus léger obtenu est de 0,16 kg/m3.
Des chercheurs de SUNY et de la Kansas State University travaillent désormais à adapter leur technologie pour imprimer avec d’autres aérogels.

Et enfin, je vais vous parler d'un délicieux domaine intéressant utilisation de l'aérogel.

Nouveau système de cuisson ultra high-tech

Bose a présenté un système de cuisson (vidéo sur le lien) composé d'une plaque à induction avec un lecteur RFID et la possibilité de surveiller et d'alimenter un capteur de température sans fil, ainsi qu'une marmite (poêle à frire) avec une paroi intérieure en conducteur de courant électrique matériau qui est un élément chauffant, une paroi extérieure en matériau non conducteur courant électrique matériau et remplissage d'aérogel entre deux murs. La poêle dispose également d'une étiquette RFID intégrée et d'un capteur de température sans fil alimenté par induction. Ainsi, le résultat est une casserole que vous pouvez tenir par le fond à mains nues pendant que l'eau y bout sans craindre de vous brûler. Le choix de l'aérogel comme isolant thermique est déterminé par un certain nombre d'exigences telles que la capacité à résister températures élevées, légèreté, faible conductivité thermique(pour les aérogels, la conductivité thermique se situe quelque part entre les panneaux sous vide et l'isolation en mousse polyuréthane, plus proche des panneaux). Lorsque la casserole est placée sur la table de cuisson, les aliments/liquides sont chauffés par induction de la paroi intérieure de la casserole. Retour mis en œuvre via un capteur de température, donc au lieu de régler une certaine puissance fournie à l'élément chauffant, le réglage de la température est utilisé surface intérieure casseroles, qui est presque égale à la température des aliments (faible intensité énergétique et conductivité thermique élevée de la couche interne).

P.S. Nous sommes sur le point de réaliser la table « magique » IKEA.

Si vous suivez les dernières nouvelles du monde technologies modernes, alors ce matériel ne sera pas une grande nouvelle pour vous. Cependant, considérons plus en détail les plus matériau léger dans le monde et apprendre un peu plus de détails est utile.

Il y a moins d'un an, le titre de matériau le plus léger au monde était attribué à un matériau appelé aérographite. Mais ce matériau n’a pas réussi à tenir longtemps dans la paume ; il a été récemment remplacé par un autre matériau carboné appelé aérogel de graphène. Créé groupe de recherche Laboratoire du Département de science et technologie des polymères de l'Université du Zhejiang, dirigé par le professeur Gao Chao, l'aérogel de graphène ultra-léger a une densité légèrement inférieure à celle de l'hélium gazeux et légèrement supérieure à celle de l'hydrogène gazeux.

Les aérogels, en tant que classe de matériaux, ont été développés et produits en 1931 par l'ingénieur et chimiste Samuel Stephens Kistler. Depuis lors, des scientifiques de diverses organisations ont étudié et développé de tels matériaux, malgré leur valeur douteuse pour utilisation pratique. Un aérogel composé de nanotubes de carbone à parois multiples, surnommé « fumée gelée » et ayant une densité de 4 mg/cm3, a perdu le titre de matériau le plus léger en 2011 au profit d'un matériau à micro-réseau métallique d'une densité de 0,9 mg/cm3. Et un an plus tard, le titre de matériau le plus léger revient à un matériau carboné appelé aérographite, dont la densité est de 0,18 mg/cm3.

Le nouveau détenteur du titre de matériau le plus léger, l'aérogel de graphène, créé par l'équipe du professeur Chao, a une densité de 0,16 mg/cm3. Afin de créer un matériau aussi léger, les scientifiques ont utilisé l'un des matériaux les plus étonnants et les plus fins à ce jour : le graphène. En utilisant leur expérience dans la création de matériaux microscopiques tels que des fibres de graphène « unidimensionnelles » et des rubans de graphène bidimensionnels, l’équipe a décidé d’ajouter une autre dimension aux deux dimensions du graphène et de créer un matériau de graphène poreux en vrac.

Au lieu de la méthode de fabrication des modèles, qui utilise un matériau solvant et est généralement utilisée pour fabriquer divers aérogels, les Chinois ont utilisé une méthode de lyophilisation. La lyophilisation d'une solution cooloïde constituée d'une charge liquide et de particules de graphène a permis de créer une éponge poreuse à base de carbone dont la forme suivait presque entièrement la forme donnée.

"Il n'est pas nécessaire d'utiliser des modèles ; la taille et la forme du matériau en carbone ultraléger que nous créons dépendent uniquement de la forme et de la taille du conteneur", explique le professeur Chao. "La quantité d'aérogel produite dépend uniquement de la taille du conteneur. , qui peut avoir un volume mesuré en milliers de centimètres cubes.

L'aérogel de graphène obtenu est extrêmement durable et matériau élastique. Il peut absorber matières organiques, y compris le pétrole, dont le poids dépasse 900 fois son propre poids avec grande vitesse absorption. Un gramme d’aérogel absorbe 68,8 grammes de pétrole en une seconde seulement, ce qui en fait un matériau attrayant à utiliser comme absorbant pour le pétrole océanique et les produits pétroliers.

En plus de servir d'absorbant d'huile, l'aérogel de graphène a le potentiel d'être utilisé dans les systèmes de stockage d'énergie, comme catalyseur pour certains réactions chimiques et comme charge pour les matériaux composites complexes.

La combinaison du graphène et des nanotubes de carbone a permis d'obtenir aérogel de carbone, dépourvu des inconvénients des aérogels constitués uniquement de graphène ou uniquement de nanotubes. Le nouveau matériau composite de carbone, en plus des propriétés habituelles de tous les aérogels - densité, dureté et conductivité thermique extrêmement faibles - possède également une élasticité élevée (la capacité de retrouver sa forme après des compressions et des étirements répétés) et une excellente capacité à absorber les liquides organiques. . Cette dernière propriété peut avoir des applications dans la lutte contre les déversements d'hydrocarbures.

Imaginons que nous chauffions un récipient fermé avec du liquide et de la vapeur de ce liquide. Plus la température est élevée, plus plus de liquide s'évaporera en passant dans la phase gazeuse, et plus la pression sera élevée, et avec elle la densité de la phase gazeuse (en fait, le nombre de molécules évaporées). À une certaine pression et température, dont la valeur dépend du type de substance présente dans le récipient, la densité des molécules dans le liquide sera la même que dans la phase gazeuse. Cet état du liquide est appelé supercritique. Dans cet état, il n'y a aucune différence entre les phases liquide et gazeuse, et donc il n'y a pas de tension superficielle.

Des aérogels encore plus légers (moins denses) sont obtenus par dépôt chimique d'une substance qui fera office de phase solide de l'aérogel sur un substrat poreux préalablement préparé, qui est ensuite dissous. Cette méthode permet de réguler la densité de la phase solide (en régulant la quantité de substance déposée) et sa structure (en utilisant un substrat ayant la structure requise).

De par leur structure, les aérogels possèdent un ensemble de propriétés uniques. Bien que leur résistance se rapproche de celle des solides (Fig. 1A), leur densité est similaire à celle des gaz. Ainsi, les meilleurs échantillons d'aérogel de quartz ont une densité d'environ 2 mg/cm 3 (la densité de l'air entrant dans leur composition est de 1,2 mg/cm 3), soit mille fois inférieure à celle des matériaux solides non poreux. .

Les aérogels ont également une conductivité thermique extrêmement faible (Fig. 1B), puisque la chaleur doit parcourir un chemin complexe à travers un réseau ramifié de très fines chaînes de nanoparticules. Dans le même temps, le transfert de chaleur à travers la phase aérienne est également difficile du fait que ces mêmes chaînes rendent impossible la convection, sans laquelle la conductivité thermique de l'air est très faible.

Une autre propriété de l'aérogel - son extraordinaire porosité - a permis d'acheminer sur Terre des échantillons de poussières interplanétaires (voir Stardust collector return home, "Elements", 14/01/2006) en utilisant vaisseau spatial Poussière d'étoile. Son dispositif de collecte était un bloc d'aérogel, dans lequel tombaient des particules de poussière arrêtées avec une accélération de plusieurs milliards. g, sans s'effondrer (Fig. 1C).

Jusqu'à récemment, le principal inconvénient de l'aérogel était sa fragilité : il se fissure sous des charges répétées. Tous les aérogels obtenus à cette époque - à partir de quartz, de certains oxydes métalliques et de carbone - présentaient cet inconvénient. Mais avec l'avènement de nouveaux matériaux carbonés - graphène et nanotubes de carbone - le problème de l'obtention d'aérogels élastiques et résistants à la rupture a été résolu.

Le graphène est une feuille d'un atome d'épaisseur dans laquelle les atomes de carbone forment un réseau hexagonal (chaque cellule du réseau est un hexagone), et un nanotube de carbone est la même feuille enroulée en cylindre d'une épaisseur de un à plusieurs dizaines de nanomètres. Ces formes de carbone ont une grande résistance mécanique, une élasticité très zone élevée surface interne, ainsi qu'une conductivité thermique et électrique élevée.

Cependant, les matériaux préparés séparément du graphène ou séparément des nanotubes de carbone présentent également des inconvénients. Ainsi, un aérogel de graphène d'une densité de 5,1 mg/cm 3 ne s'est pas effondré sous une charge dépassant de 50 000 fois son propre poids et a retrouvé sa forme après avoir été comprimé à 80 % de sa taille d'origine. Cependant, du fait que les feuilles de graphène ont une rigidité à la flexion insuffisante, une diminution de leur densité aggrave les propriétés élastiques de l'aérogel de graphène.

L'aérogel fabriqué à partir de nanotubes de carbone présente un autre inconvénient : il est plus rigide, mais ne reprend pas du tout sa forme après avoir retiré la charge, car les nanotubes sous charge sont pliés et emmêlés de manière irréversible, et la charge est mal transférée entre eux.

Rappelons que la déformation est un changement de position des particules corps physique les unes par rapport aux autres, et la déformation élastique est une déformation qui disparaît avec la disparition de la force qui l'a provoquée. Le «degré» d'élasticité d'un corps (appelé module d'élasticité) est déterminé par la dépendance de la contrainte mécanique qui apparaît à l'intérieur de l'échantillon lorsqu'une force de déformation est appliquée sur la déformation élastique de l'échantillon. Tension d'entrée dans ce cas est la force appliquée à l’échantillon par unité de surface. (A ne pas confondre avec la tension électrique !)

Comme l'a démontré un groupe de scientifiques chinois, ces inconvénients sont entièrement compensés si le graphène et les nanotubes sont utilisés simultanément dans la préparation de l'aérogel. Les auteurs de l'article discuté dans Matériaux avancés utilisé une solution aqueuse de nanotubes et d'oxyde de graphène, dont l'eau a été éliminée par congélation et sublimation de glace - lyophilisation (voir aussi Lyophilisation), qui élimine également les effets de la tension superficielle, après quoi l'oxyde de graphène a été chimiquement réduit en graphène . Dans la structure résultante, les feuilles de graphène servaient de cadre et les nanotubes servaient de raidisseurs sur ces feuilles (Fig. 2A, 2B). Comme l’ont montré des études microscope électronique, les feuilles de graphène se chevauchent et forment un cadre tridimensionnel avec des pores dont la taille varie de dizaines de nanomètres à des dizaines de micromètres, et les nanotubes de carbone forment un réseau enchevêtré et adhèrent étroitement aux feuilles de graphène. Ceci est apparemment dû au fait que les nanotubes sont expulsés par la croissance des cristaux de glace lorsque la solution initiale gèle.

La densité de l'échantillon était de 1 mg/cm3 hors air (Fig. 2C, 2D). Et selon les calculs du modèle structurel présenté par les auteurs, densité minimale, dans lequel l'aérogel d'utilisé matières premières conservera toujours l'intégrité de la structure, est de 0,13 mg/cm 3, soit près de 10 fois inférieure à la densité de l'air ! Les auteurs ont pu préparer un aérogel composite d'une densité de 0,45 mg/cm 3 et un aérogel composé uniquement de graphène d'une densité de 0,16 mg/cm 3 , ce qui est inférieur au précédent record détenu par un aérogel de ZnO déposé sur un substrat. de la phase gazeuse. Il est possible de réduire la densité en utilisant des feuilles de graphène plus larges, mais cela réduit la rigidité et la résistance du matériau obtenu.

Lors des tests, des échantillons d'un tel aérogel composite ont conservé leur forme et leur microstructure après 1 000 compressions répétées jusqu'à 50 % de leur taille d'origine. La résistance à la compression est approximativement proportionnelle à la densité de l’aérogel et, dans tous les échantillons, augmente progressivement avec l’augmentation de la contrainte (figure 3A). Dans la plage de –190°C à 300°C, les propriétés élastiques des aérogels résultants sont presque indépendantes de la température.

L'essai de traction (Fig. 3B) a été réalisé sur un échantillon d'une densité de 1 mg/cm3, et l'échantillon a résisté à un étirement de 16,5 %, ce qui est totalement impensable pour les aérogels d'oxydes, qui se fissurent immédiatement lorsqu'ils sont étirés. De plus, la rigidité lors de la traction est plus élevée que lors de la compression, c'est-à-dire que l'échantillon est facilement écrasé, mais difficilement étiré.

Les auteurs ont expliqué cet ensemble de propriétés par l'interaction synergique du graphène et des nanotubes, dans laquelle les propriétés des composants se complètent. Les nanotubes de carbone recouvrant les feuilles de graphène servent de liaison entre les feuilles adjacentes, ce qui améliore le transfert de charge entre elles, ainsi que de raidisseurs pour les feuilles elles-mêmes. De ce fait, la charge ne conduit pas au mouvement des feuilles les unes par rapport aux autres (comme dans un aérogel constitué de graphène pur), mais à une déformation élastique des feuilles elles-mêmes. Et comme les nanotubes adhèrent étroitement aux feuilles et que leur position est déterminée par la position des feuilles, ils ne subissent pas de déformation ni d'enchevêtrement irréversibles et ne se déplacent pas les uns par rapport aux autres sous charge, comme dans un aérogel inélastique composé uniquement de nanotubes. Un aérogel composé à parts égales de graphène et de nanotubes a des propriétés optimales, et avec une augmentation de la teneur en nanotubes, ils commencent à former des « enchevêtrements », comme dans un aérogel composé uniquement de nanotubes, ce qui entraîne une perte d'élasticité.

En plus de ceux décrits propriétés élastiques L'aérogel de carbone composite possède d'autres propriétés inhabituelles. Il est électriquement conducteur et la conductivité électrique change de manière réversible lors d'une déformation élastique. De plus, l'aérogel de graphène et de nanotubes de carbone repousse l'eau, mais absorbe en même temps parfaitement les liquides organiques - 1,1 g de toluène dans l'eau a été complètement absorbé par un morceau d'aérogel pesant 3,2 mg en 5 secondes (Fig. 4). Cela ouvre d'excellentes opportunités pour éliminer les déversements d'hydrocarbures et purifier l'eau des liquides organiques : seulement 3,5 kg d'un tel aérogel peuvent absorber une tonne d'hydrocarbures, soit 10 fois plus que la capacité d'un absorbant utilisé dans le commerce. En même temps, l'absorbant à base d'aérogel composite est régénérable : grâce à son élasticité et sa résistance thermique, le liquide absorbé peut être expulsé comme une éponge, et le reste est simplement brûlé ou éliminé par évaporation. Des tests ont montré que les propriétés sont conservées après 10 cycles de ce type.

La variété des formes de carbone et les propriétés uniques de ces formes et des matériaux obtenus continuent d'étonner les chercheurs, nous pouvons donc nous attendre à de plus en plus de découvertes dans ce domaine à l'avenir. Combien de choses peuvent être fabriquées à partir d’un seul élément chimique !