Marsh-Pflanze führte zur Idee, starke und flexible Graphen-Aerogele zu schaffen • Arkady Kuramshin • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Materialwissenschaften, Nanotechnologie

Marsh-Pflanze schlug die Idee vor, starke und flexible Graphen-Aerogele zu erzeugen

Abb. 1. Die Struktur des Stiels der weißlichen Taille (T. Dealbata) und schuf in seinem Bild und Ähnlichkeit von Graphen Aerogel. a – Sumpfpflanze weißlich. b und mit – Bilder der mehrstufigen Struktur des Stängels der Pflanze, erhalten durchb) und elektronische Abtastung (mita) Mikroskop; Parallel orientierte Lamellenschichten des Schaftes mit einer Dicke von 10 μm sind durch etwa einen Millimeter lange Querbrücken miteinander verbunden. d – Schema der Methode des bidirektionalen Einfrierens (Zwei-Gradient-Einfrieren), die Schlüssel für die Synthese von Graphen-Aerogel ist. e – schematische Darstellung des erhaltenen Aerogels. f – Das mit einem Rasterelektronenmikroskop erhaltene Bild zeigt die Struktur des Aerogels. Bild aus dem Artikel in der DiskussionACS Nano

Chinesische Chemiker erhielten haltbare und elastische Graphen-Aerogele, die die Struktur des Stängels einer Sumpfpflanze mit weißlicher Taille simulierten. Das neue Material widersteht zahlreichen Zyklen von "Kompression / Expansion" unter Beibehaltung seiner mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Es wird davon ausgegangen, dass damit neue, effizientere elektronische Geräte geschaffen werden können.

Aerogele sind eine relativ neue Klasse von Materialien mit extrem niedriger Dichte aufgrund ihrer porösen Struktur: bungefährDer größte Teil des Aerogelvolumens ist mit Poren von bis zu 100 Nanometer Größe besetzt. Wir können sagen, dass Aerogele 99% Luft sind. In der Berührung ähneln sie einem leichten aber festen Schaum, etwas, das Schaum ähnlich ist. Wenn eine starke Belastung angewendet wird, können Aerogele zusammenbrechen, aber im Allgemeinen sind sie sehr haltbare Materialien.

Seit den 1930er Jahren bekannt, werden Aerogele auf der Basis von Oxiden von Silicium, Aluminium, Chrom und Zinn als wärmeisolierende und wärmespeichernde Materialien verwendet, auch im Bauwesen. Quarz-Aerogel widersteht einer Belastung des 2000-fachen seines Eigengewichts und seiner Temperatur von bis zu 650 ° C, und eine 2,5 cm dicke Schicht eines solchen Aerogels reicht aus, um die menschliche Hand vor dem direkten Einschlag einer Lötlampe zu schützen.

Aufgrund der außerordentlichen Porosität des Aerogels war es möglich, Proben von interplanetarem Staub zur Erde zu liefern (siehe: Der Sternenstaubsammler kehrt nach Hause zurück, Elements, 14. Januar 2006). Auf der Raumsonde Stardust wurde ein Block aus Quarz-Aerogel installiert, in den die Staubpartikel mit einer Beschleunigung von mehreren Milliarden abbremsen ggestoppt, ohne zu kollabieren.

In den späten 1990er Jahren wurden die ersten Aerogele aus Kohlenstoff erhalten, und die Entdeckung von Graphen im Jahr 2004 machte es möglich, zwei Arten von Nanosystemen in einer Materialart zu kombinieren: In den 2010er Jahren wurden Graphen-Aerogele erhalten (siehe: Aerogel aus Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren) Mängel ihrer Vorgänger, "Elements", 15.07.2013).

Ultraleichte und langlebige Graphen-Aerogele und ihre Derivate sind elektrisch leitfähige Materialien, die für die Verwendung als Katalysatoren, Elektroden oder Komponenten flexibler Elektronik attraktiv sind. Bis vor kurzem fehlte solchen Aerogelen jedoch ein äußerst wichtiges Merkmal – die Elastizität. Die wiederholten Versuche, flexible und elastische Aerogele aus Kohlenstoff durch Kombination von Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren in der Struktur zu erhalten, lösten nur einen Teil des Problems. Die Elastizität des Materials erhöhte sich, aber aufgrund der Tatsache, dass die Nanoröhrchen, die ihm Elastizität gaben, unregelmäßig in die Struktur des Materials eingebaut wurden, hatten verschiedene Teile des Materials unterschiedliche elektronische Eigenschaften.

Forscher der Universität Zhejiang (China) unter der Leitung von Hao Bai konnten dieses Problem lösen: Sie konnten ein komprimierbares Aerogel aus Graphen mit einer regelmäßigen inneren Struktur erhalten. Für seine Entwicklung wurde biomimetischer Ansatz verwendet, wenn die Idee und die Hauptelemente der Natur entlehnt sind. Als das Prinzip der Struktur des neuen Materials haben Wissenschaftler die innere geordnete poröse Struktur des Taillenstiels weißlich gewählt (Thalia dealbata).

Die kräftigen und flexiblen weißlichen Stängel, die hauptsächlich in den Sümpfen und entlang der Stauseen im mittleren und südöstlichen Teil der USA wachsen, können starken Windböen standhalten. Die Untersuchung der Struktur der Stängel dieser Pflanze zeigt, dass die Stärke des Stammes durch parallel orientierte lamellare Strukturen dichter Zellen bestimmt wird, die durch feinere "Brücken" miteinander verbunden sind. (In der Chemie der Materialien werden alternierend und parallel orientierte dünne Schichten von Material mit einer geordneten Struktur gewöhnlich Lamellen genannt, die entweder durch ein festes Material mit einem geringeren Ordnungsgrad oder durch Flüssigkeit oder Gas getrennt werden können.) Die Dicke dieser Strukturen beträgt 100-200 Mikrometer.Die Rolle der Brücken ist zweifach: sie bilden eine netzartige Struktur, geben dem Stängel Festigkeit, sind aber dünner als die eigentümlichen Federn und machen den Stiel flexibel und elastisch.

Die Forscher beschlossen, eine ähnliche Struktur in Aerogel zu reproduzieren. Unter Verwendung der von Bai (H. Bai et al., 2015) entwickelten Zwei-Gradienten-Gefriertechnik wurden bioinspirierte großflächig ausgerichtete poröse Materialien mit dualen Temperaturgradienten zusammengebaut, um große (mit linearen Dimensionen von mindestens einem Zentimeter) mikro- und nanoporöse Strukturen zu erzeugen Die Forscher stellten einen Aerogelwürfel mit 10 mm Kantenlänge her. Das Wesen der Zweigradienten-Einfriertechnik ist wie folgt: Das flüssige Material wird derart gekühlt, dass auf Kosten einer richtig angeordneten Anordnung der Kühlelemente die Temperatur gleichzeitig in zwei Richtungen abnimmt – vertikal und horizontal. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit war ein flüssiges Material zur Gewinnung von elastischem Graphen-Aerogel eine Suspension von Graphenoxid in einer wßrigen Lösung von Polyvinylalkohol.

Beim Einfrieren treten Eiskristalle auf, die als Vorlage arbeiten, um die dann die Suspension eingefroren wird.Die Struktur des Templates sorgt dafür, dass beim Gefrieren Strukturen gebildet werden, in denen parallel orientierte lamellare Fragmente von Graphenoxid mit Querbrücken vernäht werden. Die Größe und Form der Eiskristalle und somit die endgültige Architektur des Aerogels – seine Mikrostruktur, Porosität und gegenseitige Ausrichtung der Poren – werden durch die Abkühlungsgeschwindigkeit in jeder Richtung, Konzentration und Viskosität der Suspension, das Material der Kammer, in der gekühlt wird, und andere Faktoren bestimmt. Nach der Bildung einer dreidimensionalen porösen Struktur aus Graphenoxid wird eine lyophile Trocknung dieser Struktur und ihre Reduktion mit Wasserstoff zu Graphen-Aerogel durchgeführt, wobei die Struktur des Stammes imitiert wird T. Dealbata. Das resultierende Aerogel weist alle Eigenschaften auf, die für die Verwendung in der flexiblen Elektronik erforderlich sind: Festigkeit, Elastizität, elektrische Leitfähigkeit und geringe Dichte (etwa 7 mg pro cm)3).

Der resultierende Würfel aus dem Aerogel kollabierte unter dem Einfluss einer schweren Last nicht unter Kompression. Er wurde einfach um die Hälfte zusammengedrückt und nach dem Entfernen der Ladung stellte er seine ursprüngliche Form wieder her (Fig. 2). Darüber hinaus wurde festgestellt, dass selbst nach Tausenden von Kompressions- und Wiederherstellungszyklen der Form das Aerogel eine elektrische Leitfähigkeit und mindestens 85% der mechanischen Festigkeit beibehält.Zum Vergleich verlieren die bekannten Aerogele mit ungeordneter poröser Struktur nach zehn Kompressionen in der Regel bis zur Hälfte an Festigkeit.

Abb. 2 Graphen-Aerogel stellt die ursprüngliche Form nach der Kompression unter dem Einfluss eines Objekts wieder her, dessen Masse mehr als das 6000-fache der Masse des Aerogels selbst beträgt. Bild aus dem Artikel in der Diskussion ACS Nano

Die Forscher vermuten, dass die vorgeschlagene Methode, elastische Graphen-Aerogele mit einer regelmäßigen Struktur zu erhalten, skaliert werden kann und dass diese Methode billiger und effektiver als andere Ansätze zum Erhalt von Aerogelen mit einer geordneten dreidimensionalen Struktur, zum Beispiel durch dreidimensionales Drucken, erscheint.

Quelle: Miao Yang, Nifang Zhao, Ying Cui, Weiwei Gao, Qian Zhao, Chao Gao, Hao Bai, Tao Xie. Biomimetisch strukturiertes Graphen-Aerogel mit außergewöhnlicher Festigkeit und Widerstandsfähigkeit // ACS Nano. 2017. DOI: 10.1021 / acsnano.7b01815.

Arkadi Kuramshin


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