Foto: © nanomanpro / Dollar Photo Club

Grafen umožňuje vytvářet superizolační aerogel

„Zázračný“ materiál grafen je asi opravdu zázračný. Tentokrát ale posloužil k vytvoření materiálu v mnoha směrech ještě zázračnějšího. Jde o nový, mechanicky velmi pevný, dvouvrstvý keramický aerogel vyrobený z hexagonálního nitridu bóru, který je odolný proti vysokým teplotám. Tento materiál by mohl být využíván v kosmických technologiích i v řadě pozemských průmyslových aplikací.

Materiál, který má záporný Poissonův poměr (to je absolutní hodnota poměru příčné deformace a odpovídající podélné deformace, způsobené rovnoměrným napětím, které působí v podélném směru) a záporný koeficient teplotní roztažnosti, má zcela odlišné vlastnosti od typických keramických aerogelů, které jsou křehké a jejichž struktura se bortí například působením teplotních šoků.

Aerogely jsou mimořádně lehké kompozitní materiály obsahující z více než 90 % vzduch. Mohou odolávat vysokým teplotám a jsou dobře odolné vůči různým chemikáliím. Většina aerogelů dosud studovaných je však vyrobena z materiálů, jako je oxid křemičitý nebo karbid křemíku, a jsou proto velmi křehké.

Nedávno vyrobili vědci aerogely z grafenu. Dnes už je všeobecně známo, že jde o vrstvu uhlíkových atomů pouze jeden atom silnou. Nanovrstvy uhlíku se skládají navzájem proti sobě do „stohu“ a to způsobuje, že takový materiál je mimořádně tvrdý a odolný. Nanovrstvy rozdělují aerogel do buněk také o rozměrech nanometrů, skrz které nemůže proudit vzduch. To znamená, že materiál má teplotní vodivost nižší než samotný vzduch. Má však jiné nevýhodné vlastnosti, hlavně pokud jde o technologie výroby.

To inspirovalo fyzikální tým z univerzity v Los Angeles, aby vytvořili aerogel s podobnou strukturou, ale z jiného 2D materiálu. Tím je hexagonální nitrid bóru (hBN) s pórovitým grafenovým aerogelem jako podložkou. K růstu aerogelu použili vědci upravenou hydrotermální redukci (hydrotermální podmínky znamenají, že vodné roztoky v systému překročí 100 ºC a tlak vodních par je vyšší než atmosférický) a bezkontaktní techniky vysoušení mrazem. Vrstvy hBN pak pěstovali na povrchu grafenové struktury chemickou depozicí z plynné fáze.

Jelikož hBN odolává oxidaci lépe než grafen a má lepší teplotní stabilitu, fyzici mohli snadno odstranit grafen odleptáním, a tak jim zbyl čistý hBN aerogel. Výsledný materiál má hustotu pouhých 0,1 mg/cm3 díky vysoce pórovité struktuře s buňkami, jejichž stěny jsou jen jeden atom silné, a je vysoce elastický (je možno stlačit ho na pouhých 5 % jeho původní délky a vrátit ho do původního stavu, aniž by došlo ke zlomení). Materiál má velmi nízkou teplotní vodivost, její velikost je přibližně 2,4 mW/m.K ve vakuuu a 20 mW/m.K ve vzduchu. Materiál může také odolávat velkým teplotním šokům až do té míry, že je možné ho ohřát na 900 ºC a následně prudce zchladit na –198 ºC rychlostí 275 ºC za sekundu. Takových cyklů lze provést stovky, aniž by se jeho vlastnosti výrazně změnily.

Mimořádné vlastnosti nového materiálu spočívají v tom, že má záporný Poissonův poměr (to znamená, že když je stlačován, smršťuje se dovnitř) a záporný koeficient teplotní roztažnosti (při zahřívání se smršťuje). Obě tyto vlastnosti (které jsou opačné než u konvenčních materiálů) aerogelu vytvořili vědci zpracováním mikrostruktury pomocí hierarchického strukturování a produkováním materiálu s hyperbolickou kostrou. Ta má sedlový tvar se zápornou křivostí.

Vlastnosti základových buněk nového aerogelu mají také dvojitou strukturu, která zmenšuje tloušťku stěn, aniž by došlo ke snížení mechanické pevnosti materiálu, a usnadňuje vznik mimořádných vibračních módů pro jev negativní teplotní expanze. Takové stěny také zpomalují přenos tepla molekulami plynu, a zajišťují tak velmi nízkou teplotní vodivost.

Podle fyziků by mohl být nový keramický aerogel použit jako tepelná izolace v aplikacích, kde se vyskytují extrémní teploty, jako jsou na příklad kosmické lodě nebo součásti automobilů. Materiál má také velkou povrchovou plochu, a to více než 1080 m2/g, což je hodnota vyšší, než která se udává pro jiné ultralehké materiály (kolem 800 m2/g pro křemíkový a uhlíkový aerogel). Materiál by se díky tomu mohl rovněž používat v aplikacích, v nichž je potřeba mít velkou hodnotu poměru povrchu k objemu, jako jsou plynové katalyzátory a materiály pro „skladování“ tepelné energie.

Tým z Los Angeles se teď bude zabývat přípravou keramických aerogelů s ještě lepší pružností a odolností, vyšší pracovní teplotou a nižší tepelnou vodivostí.

Původní materiál byl uveřejněn v Science.

autor: Jana Štrajblová

Převzato z Matfyz.cz

Poznámka PH: ad záporný Poissonův poměr, výše popsáno mi přijde nějak zmatené. Záporný Poissonův poměr mají tzv. auxetické materiály, které se vyznačují tím, že když je natahujeme, roztahují se i v kolmém směru (opak žvýkačky).

Pozvánka
Filosofické problémy fyziky
Volný cyklus přednášek věnovaný klíčovým konceptům, jež představují milníky vývoje fyziky a tvoří její soudobý základ. Přednášky rozvíjejí dlouholetou tradici semináře Filosofické problémy fyziky na MFF UK. Přednášky jsou přístupné veřejnosti.
Podrobnosti

Zdroj: NASA/Wikipedia, licence obrázku public domain

Všechna pohoří si jsou podobná – matematicky

Prý nezávisí na absolutní výšce hor, na jejich stáří ani na tom, zda jsou tektonického …

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close