Болотное растение подсказало идею создания прочных и эластичных аэрогелей из графена

Автор: | 11.01.2022

Китайские химики получили прочные и эластичные аэрогели из графена, сымитировав строение стебля болотного растения талии беловатой. Новый материал выдерживает многочисленные циклы «сжатие/расширение», сохраняя свои механические и электрические свойства. Предполагается, что он может послужить для создания новых, более эффективных электронных устройств.

Аэрогели — это сравнительно новый класс материалов c чрезвычайно низкой плотностью, что обусловлено их пористой структурой: большую часть объема аэрогеля занимают поры размером до 100 нанометров. Можно сказать, что аэрогели на 99% состоят из воздуха. На ощупь они напоминают легкую, но твердую пену, чем-то похожую на пенопласт. При приложении сильной нагрузки аэрогели могут разрушаться, но в целом они представляют собой весьма прочные материалы.

Известные еще с 1930-х годов аэрогели на основе оксидов кремния, алюминия, хрома и олова применяются в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов, в том числе и в строительстве. Кварцевый аэрогель выдерживает нагрузку в 2000 раз больше собственного веса и температуру до 650°C, а слоя такого аэрогеля толщиной 2,5 см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от прямого воздействия пламени паяльной лампы.

Благодаря необычайной пористости аэрогеля на Землю удалось доставить образцы межпланетной пыли (см.: Сборщик звездной пыли возвращается домой, «Элементы», 14.01.2006). На космическом аппарате Stardust был установлен блок кварцевого аэрогеля, попадая в который частицы пыли, тормозившиеся с ускорением несколько миллиардов g, останавливались, не разрушаясь.

В конце 1990-х годов были получены первые аэрогели из углерода, а открытие в 2004 году графена позволило объединить два типа наносистем в одном виде материала: в 2010-е годы были получены аэрогели из графена (см.: Аэрогель из графена и углеродных нанотрубок лишен недостатков своих предшественников, «Элементы», 15.07.2013).

Сверхлегкие и прочные аэрогели из графена и его производных представляют собой электропроводные материалы, привлекательные для применения в качестве катализаторов, электродов или компонентов гибкой электроники. Однако до недавнего времени для полноценного применения таким аэрогелям не хватало одного чрезвычайно важного свойства — эластичности. Предпринимавшиеся неоднократно попытки получения гибких и эластичных аэрогелей из углерода при помощи комбинирования в структуре графена и углеродных нанотрубок решали лишь часть проблемы. Эластичность материала повышалась, но из-за того, что придававшие ему эластичность нанотрубки встраивались в структуру материала нерегулярно, разные участки материала обладали различными электронными свойствами.

Исследователям из Чжэцзянского университета (Китай) под руководством Хао Бая (Hao Bai) удалось решить этот вопрос: они смогли получить сжимаемый аэрогель из графена с регулярной внутренней структурой. Для его разработки был использован биомиметический подход, когда идея и основные элементы заимствуются из живой природы. В качестве принципа строения нового материала ученые выбрали внутреннюю упорядоченную пористую структуру стебля талии беловатой (Thalia dealbata).

Прочные и гибкие стебли талии беловатой, растущей в основном на болотах и по берегам водоемов в центральной и юго-восточной части США, могут выдерживать сильные порывы ветра. Исследование строения стеблей этого растения показывает, что прочность стебля обуславливается параллельно ориентированными ламеллярными структурами из плотных клеток, которые связаны друг с другом более тонкими «мостиками». (В химии материалов ламелями принято называть чередующиеся и параллельно ориентированные тонкие слои материала с упорядоченной структурой, которые могут быть разделены либо твердым материалом с меньшей степенью упорядоченности, либо жидкостью или газом.) Толщина этих структур — 100–200 микрометров. Роль мостиков двояка: образуя сетчатую структуру, они придают стеблю прочность, но, будучи более тонкими, они, как своеобразные пружины, делают стебель гибким и эластичным.

Исследователи решили воспроизвести аналогичную структуру в аэрогеле. С помощью методики двуградиентного вымораживания, ранее разработанной Баем (H. Bai et al., 2015. Bioinspired large-scale aligned porous materials assembled with dual temperature gradients) и предназначенной для получения больших (с линейными размерностями не менее сантиметра) микро- и нанопористых структур, исследователи изготовили куб аэрогеля с ребром 10 мм. Суть методики двуградиентного вымораживания в следующем: жидкий материал охлаждается таким образом, чтобы за счет правильным образом подобранного размещения охлаждающих элементов одновременно происходило понижение температуры по двум направлениям — по вертикали и по горизонтали. В рамках обсуждаемой работы жидким материалом для получения эластичного графенового аэрогеля служила суспензия оксида графена в водном растворе поливинилового спирта.

В процессе вымораживания возникают кристаллы льда, работающие как шаблон, вокруг которого затем происходит замораживание суспензии. Строение шаблона обеспечивает то, что при замораживании образуются структуры, в которых параллельно ориентированные ламеллярные фрагменты оксида графена сшиваются поперечными мостиками. Размер и форма ледяных кристаллов и, таким образом, конечная архитектура аэрогеля — его микроструктура, пористость и взаимная ориентация пор — определяются скоростью охлаждения по каждому из направлений, концентрацией и вязкостью суспензии, материалом камеры, в которой проводится охлаждение, и другими факторами. После формирования трехмерной пористой структуры из оксида графена проводится лиофильная сушка этой структуры и ее восстановление водородом до графенового аэрогеля, имитирующего строение стебля T. dealbata. Полученный аэрогель обладает всеми свойствами, необходимыми для применения в гибкой электронике: прочностью, эластичностью, электропроводностью и небольшой плотностью (около 7 мг на см3).

Полученный кубик из аэрогеля не разрушался при сжатии под воздействием тяжелого груза: он просто сжимался вдвое, а после снятия нагрузки восстанавливал исходную форму (рис. 2). Более того, обнаружено, что даже после тысячи циклов сжатия и восстановления формы аэрогель сохраняет электропроводность и не менее 85% механической прочности. Для сравнения, известные аэрогели с неупорядоченной пористой структурой обычно теряют до половины прочности уже после десяти сжатий.

Рис. 2. Графеновый аэрогель восстанавливает исходную форму после сжатия

Исследователи предполагают, что предложенный ими способ получения эластичных графеновых аэрогелей с регулярной структурой может быть масштабирован и что этот метод кажется более дешевым и эффективным по сравнению с другими подходами к получению аэрогелей с упорядоченным трехмерным строением, например — с помощью трехмерной печати.

Источник: Miao Yang, Nifang Zhao, Ying Cui, Weiwei Gao, Qian Zhao, Chao Gao, Hao Bai, Tao Xie. Biomimetic Architectured Graphene Aerogel with Exceptional Strength and Resilience // ACS Nano. 2017. DOI: 10.1021/acsnano.7b01815.

Аркадий Курамшин

Добавить комментарий