Болотяна рослина підказало ідею створення міцних і еластичних аерогелей з графена • аркадий

Мал. 1. Будова стебла талії білуватою (T. dealbata) і створеного за його образом і подобою графенового аерогеля. а - болотяна рослина талія білувата. b і з - зображення багаторівневої структури стебла рослини, отримані за допомогою оптичного (b) і скануючого електронного (с) мікроскопа; паралельно орієнтовані ламеллярние шари стебла товщиною 10 мкм пов'язані один з одним поперечними містками довжиною близько міліметра. d - схема методики двоспрямованістю заморозки (двуградіентного виморожування), ключовий для синтезу графенового аерогеля. e - схематичне зображення отриманого аерогеля. f - на знімку, отриманому за допомогою скануючого електронного мікроскопа, видно будова аерогеля. Зображення з обговорюваної статті в ACS Nano

Китайські хіміки отримали міцні і еластичні аерогелі з графена, симітіровав будова стебла болотного рослини талії білуватою. Новий матеріал витримує численні цикли «стиснення / розширення», зберігаючи свої механічні і електричні властивості. Передбачається, що він може послужити для створення нових, більш ефективних електронних пристроїв.

Аерогелі - це порівняно новий клас матеріалів c надзвичайно низькою щільністю, що обумовлено їх пористою структурою: бо більшу частину обсягу аерогеля займають пори розміром до 100 нанометрів. Можна сказати, що аерогелі на 99% складаються з повітря. На дотик вони нагадують легку, але тверду піну, чимось схожу на пінопласт. При додатку сильного навантаження аерогелі можуть руйнуватися, але в цілому вони представляють собою досить міцні матеріали.

Надлегкі і міцні аерогелі з графена і його похідних є електропровідні матеріали, привабливі для застосування в якості каталізаторів, електродів або компонентів гнучкою електроніки. Однак до недавнього часу для повноцінного застосування таким аерогель не вистачало одного надзвичайно важливого властивості - еластичності. Починалися неодноразово спроби отримання гнучких і еластичних аерогелей з вуглецю за допомогою комбінування в структурі графена і вуглецевих нанотрубок вирішували лише частина проблеми. Еластичність матеріалу підвищувалася, але через те, що додавали йому еластичність нанотрубки убудовувалися в структуру матеріалу нерегулярно, різні ділянки матеріалу володіли різними електронними властивостями.

Дослідникам з Чжецзянського університету (Китай) під керівництвом Хао Бая (Hao Bai) вдалося вирішити це питання: вони змогли отримати стискається аерогель з графена з регулярною внутрішньою структурою. Для його розробки було використано біоміметичні підхід, коли ідея і основні елементи запозичуються з живої природи. Як принципу будови нового матеріалу вчені вибрали внутрішню упорядковану пористу структуру стебла талії білуватою (Thalia dealbata).

Міцні і гнучкі стебла талії білуватою, що росте в основному на болотах і по берегах водойм в центральній і південно-східній частині США, можуть витримувати сильні пориви вітру. Дослідження будови стебел цієї рослини показує, що міцність стебла обумовлюється паралельно орієнтованими ламеллярную структурами з щільних клітин, які пов'язані один з одним більш тонкими «містками». (В хімії матеріалів ламелями прийнято називати чергуються і паралельно орієнтовані тонкі шари матеріалу з упорядкованою структурою, які можуть бути розділені або твердим матеріалом з меншим ступенем упорядкованості, або рідиною або газом.) Товщина цих структур - 100-200 мікрометрів. Роль містків двояка: утворюючи сітчасту структуру, вони надають стеблу міцність, але, будучи більш тонкими, вони, як своєрідні пружини, роблять стебло гнучким і еластичним.

В процесі виморожування виникають кристали льоду, що працюють як шаблон, навколо якого потім відбувається заморожування суспензії. Будова шаблону забезпечує те, що при заморожуванні утворюються структури, в яких паралельно орієнтовані ламеллярние фрагменти оксиду графену зшиваються поперечними містками. Розмір і форма крижаних кристалів і, таким чином, кінцева архітектура аерогеля - його мікроструктура, пористість і взаємна орієнтація пір - визначаються швидкістю охолодження по кожному з напрямків, концентрацією і в'язкістю суспензії, матеріалом камери, в якій проводиться охолодження, і іншими факторами. Після формування тривимірної пористої структури з оксиду графену проводиться лиофильная сушка цієї структури і її відновлення воднем до графенового аерогеля, що імітує будову стебла T. dealbata. Отриманий аерогель має всі властивості, необхідними для застосування в гнучкою електроніці: міцністю, еластичністю, електропровідністю і невеликою щільністю (близько 7 мг на см 3).

Отриманий кубик з аерогеля не руйнувався при стисненні під впливом важкого вантажу: він просто стискалася вдвічі, а після зняття навантаження відновлював вихідну форму (рис. 2). Більш того, виявлено, що навіть після тисячі циклів стиснення і відновлення форми аерогель зберігає електропровідність і не менше 85% механічної міцності. Для порівняння, відомі аерогелі з невпорядкованою пористою структурою зазвичай втрачають до половини міцності вже після десяти стиснень.

Мал. 2. Графеновий аерогель відновлює вихідну форму після стиснення під впливом об'єкта, маса якого більше ніж в 6000 разів перевищує масу самого аерогеля. Зображення з обговорюваної статті в ACS Nano

Дослідники припускають, що запропонований ними спосіб отримання еластичних графенових аерогелей з регулярною структурою може бути масштабований і що цей метод здається більш дешевим і ефективним в порівнянні з іншими підходами до отримання аерогелей з впорядкованим тривимірним будовою, наприклад - за допомогою тривимірної друку.