Nowy sposób na aerograf 03.05.2015

Kiedy mówimy o czymś lekkim i nieważkim, często używamy przymiotnika „powietrze”. Powietrze jednak nadal ma masę, choć niewielką – jeden metr sześcienny powietrza waży nieco ponad kilogram. Czy można stworzyć solidny materiał, który zajmowałby np. metr sześcienny, ale jednocześnie ważyłby mniej niż kilogram? Problem ten rozwiązał na początku ubiegłego wieku amerykański chemik i inżynier Stephen Kistler, znany jako wynalazca aerożelu.

Wydrukowana w 3D makrostruktura aerografu nadaje mu wyjątkowe właściwości mechaniczne, nie tracąc przy tym jego „grafenowego” charakteru. Źródło: Ryan Chen/LLNLWydrukowana 3D makrostruktura aerografu aerografu nadaje mu wyjątkowe właściwości mechaniczne bez utraty jego "grafenowej" natury.

Prawdopodobnie dla wielu pierwsze skojarzenie ze słowem „żel” jest związane z jakimś produktem kosmetycznym lub chemią gospodarczą. Chociaż w rzeczywistości żel to termin całkowicie chemiczny, który odnosi się do układu składającego się z trójwymiarowej sieci makrocząsteczek, rodzaju szkieletu, w pustkach, w których znajduje się ciecz. Dzięki temu molekularnemu szkieletowi ten sam żel pod prysznic nie rozprowadza się po dłoni, ale przybiera namacalną formę. Ale takiego zwykłego żelu nie można nazwać przewiewnym - płyn, który stanowi jego większość, jest prawie tysiąc razy cięższy od powietrza. To tutaj eksperymentatorzy wpadli na pomysł, jak zrobić ultralekki materiał.

Jeśli weźmiesz płynny żel i w jakiś sposób usuniesz z niego wodę, zastępując go powietrzem, to w rezultacie z żelu pozostanie tylko szkielet, który zapewni twardość, ale jednocześnie praktycznie nie będzie miał wagi. Ten materiał nazywa się aerożelem. Od czasu jego wynalezienia w 1930 roku, chemicy rozpoczęli swoistą rywalizację o stworzenie najlżejszego aerożelu. Przez długi czas do jego otrzymywania używano głównie materiału na bazie dwutlenku krzemu. Gęstość takich aerożeli krzemowych wahała się od dziesiątych do setnych grama na centymetr sześcienny. Kiedy nanorurki węglowe zaczęto stosować jako materiał, gęstość aerożeli zmniejszyła się o prawie dwa rzędy wielkości. Na przykład airgrafit miał gęstość 0,18 mg/cm3. Do tej pory dłoń z najlżejszego materiału stałego należy do aerografu, jego gęstość wynosi zaledwie 0,16 mg / cm3. Dla jasności metrowy sześcian zrobiony z papieru aerografem ważyłby 160 g, czyli osiem razy lżejszy od powietrza.

Chemicy kierują się jednak daleko nie tylko zainteresowaniami sportowymi, a grafen jako materiał na aerożele zaczął być wykorzystywany nieprzypadkowo. Sam grafen posiada wiele unikalnych właściwości, które w dużej mierze wynikają z jego płaskiej struktury. Z drugiej strony aerożele mają również szczególne właściwości, a jedną z nich jest ogromna powierzchnia właściwa, która wynosi setki i tysiące metrów kwadratowych na gram substancji. Tak ogromny obszar powstaje dzięki dużej porowatości materiału. Chemicy już zdążyli połączyć specyficzne właściwości grafenu z unikalną strukturą aerożeli, ale badacze z Livermore National Laboratory z jakiegoś powodu potrzebowali również drukarki 3D do stworzenia aerografu.

Aby zadrukować aerożel najpierw trzeba było stworzyć specjalną farbę na bazie tlenku grafenu. Oprócz tego, że należy je malować aerografem, konieczne jest, aby taki tusz nadawał się do druku 3D. Po rozwiązaniu tego problemu chemicy dostali w swoje ręce metodę, dzięki której możliwe jest wykonanie aerografu o pożądanej mikroarchitekturze. To bardzo ważne, ponieważ oprócz właściwości tkwiących w grafenie, taki materiał będzie miał również ciekawe właściwości fizyczne. Na przykład próbka, którą otrzymali autorzy badania, okazała się zaskakująco elastyczna – sześcian aerografowany mógł być dziesięciokrotnie ściśnięty bez szkody dla materiału, a jednocześnie nie tracił swoich właściwości podczas wielokrotnego ściskania-rozciągania.

Możliwość wielokrotnego kompresowania odróżnia wydrukowany aerograf od tego uzyskanego w „zwykły” sposób. Jednym z praktycznych zastosowań nowego aerografu mogłyby być elastyczne akumulatory elektryczne, gdzie duża wewnętrzna powierzchnia materiału byłaby wykorzystywana jako elektroda, a nadrukowana struktura nadałaby mu pożądaną elastyczność.