Германские ученые изобрели самый легкий в мире материал

Структура легчайшего материала состоит из сети пористых углеродных трубок, которые трехмерно переплетены на нано- и микроуровне.

Вес изобретения — всего 0,2 миллиграмма на кубический сантиметр: материал в 75 раз легче пенополистирола, но при этом обладает удивительной прочностью.

Ученые из Кильского университета и Гамбургского технологического университета назвали свое творение «аэрографитом». Результаты исследования опубликованы в издании Advanced Materials.

Свойства аэрографита

Внешне материал черный, словно уголь, весьма прочный, хороший электрический проводник, податливый и непрозрачный. Своими уникальными свойствами вкупе с низкой плотностью аэрографит превосходит все подобные материалы.

„Наша работа вызвала массу дебатов в научном сообществе. Вес аэрографита в четыре раза меньше веса предыдущего рекордсмена“, заявил аспирант Маттиас Мекленбург, соавтор работы. До сих пор самым легким в мире считался материал, также состоящий из трубок, но вместо углерода в нем был использован никель. При этом никель обладает больше атомной массой, чем углерод.

„Также мы смогли произвести трубки с пористыми стенками, благодаря чему материал не просто легкий, а чрезвычайно легкий“, добавил аспирант Эрним Шушар, также соавтор исследования. Профессор Лоренц Кинле и доктор Андрий Лотнюк сумели расшифровать строение атома материала с помощью электронно-трансмиссионного микроскопа.

Несмотря на низкий вес аэрографит весьма эластичен. В то время как легкие материалы обычно противостоят сжатию, но не натяжения, аэрографит эффективен в обоих случаях: он прекрасно справляется и с давлением, и с натяжением.

Его можно сжать на 95%, и он вновь обретет первоначальную форму без каких-либо повреждений, сообщил профессор Райнер Аделунг. „До определенной степени аэрографит станет еще прочней, чем прежде“, добавил ученый. Другие материалы под таким воздействием обычно слабеют и теряют прочность. „Наконец, самый легкий на свете материал практически полностью поглощает солнечные лучи. Можно сказать, что его цвет — наичернейший из черных“, заключил профессор Карл Шульте.

Структура аэрографита

„Аэрографит подобен плющу, который сначала обвивает дерево, а затем полностью его устраняет“, описал Аделунг процесс создания инновационного материала. В случае с плющом жертва — дерево. Нечто подобное ученые изготовили, нагрев до 900 градусов по Цельсию порошок оксида цинка, который при этой температуре обрел кристаллическую форму.

Из полученного материала ученые изготовили своего рода пилюлю. В ней оксид цинка сформировал микро- и наноструктуры, так называемые тетраподы. Они переплетаются и выстраивают прочную сущность из частиц, которые формируют пористую пилюлю. Так тетраподы образуют сеть, которая служит основой для аэрографита.

На следующем этапе пилюлю поместили в реактор для химического осаждения паровой фазы и нагрели до 760 градусов по Цельсию. „В атмосфере, богатой углеродом, оксид цинка покрывается слоем графита толщиной несколько атомов. Так и получается сетчатая структура аэрографита. Одновременно вводится водород, который реагирует с кислородом в оксиде цинка, в результате чего выделяется пар и газообразный цинк“, продолжил Шульте.

„Чем быстрее мы выведем цинк, тем более пористыми будут стенки трубок, и тем легче материал“, заключил Шушар.

Применение аэрографита

Благодаря уникальным свойствам аэрографит может использоваться в электродах литий-ионных батарей. В этом случае потребуется минимальное количество электролита, что приведет к существенному сокращению веса. Такие батареи впоследствии могут использоваться в электрических автомобилях или велосипедах. Так самый легкий в мире материал может способствовать развитию экологичных средств транспорта.

По словам ученых, в дальнейшем аэрографит может использоваться для электропроводимости в синтетических материалах. Непроводящий пластик может стать проводящим без увеличения веса. Так, например, удастся избежать статических разрядов, которые ежедневно получают миллиарды людей во всем мире.

В целом, область использования аэрографита не ограничена. Ученые уже сейчас предлагают множество идей, от использования его в электронике для спутниковых и авиационных систем, подверженных вибрации. Также инновационный материал может послужить в водоочистке, действуя как абсорбент для загрязнителей, окисляя или анализируя и устраняя их. Не исключено его использование в очистке воздуха в составе вентиляционных систем или термостатов.

18.07.2012