El aerografito es una espuma sintética que consiste en una red porosa interconectada de carbono tubular. Con una densidad de 180 g / m 3 , es uno de los materiales estructurales más ligeros jamás creados. Fue desarrollado conjuntamente por un equipo de investigadores de la Universidad de Kiel y la Universidad Técnica de Hamburgo en Alemania, y se informó por primera vez en una revista científica en junio de 2012.
Estructura y propiedades
El aerografito es un material negro independiente que se puede producir en varias formas ocupando un volumen de hasta varios centímetros cúbicos. Consiste en una red interconectada sin costuras de tubos de carbono que tienen diámetros de escala micrométrica y un espesor de pared de aproximadamente 15 nm . Debido a la curvatura relativamente más baja y al grosor de la pared más grande, estas paredes se diferencian de las capas similares al grafeno de los nanotubos de carbono y se asemejan al carbono vítreo en sus propiedades. Estas paredes suelen ser discontinuas y contienen áreas arrugadas que mejoran las propiedades elásticas del aerografito. El enlace de carbono en el aerografito tiene un carácter sp 2 , como lo confirman la espectroscopia de pérdida de energía electrónica y las mediciones de conductividad eléctrica . Tras la compresión externa, la conductividad aumenta, junto con la densidad del material, de ~ 0,2 S / ma 0,18 mg / cm 3 a 0,8 S / ma 0,2 mg / cm 3 . La conductividad es mayor para un material más denso, 37 S / ma 50 mg / cm 3 . [1]
Debido a su estructura de red tubular interconectada, el aerografito resiste las fuerzas de tracción mucho mejor que otras espumas de carbono, así como los aerogeles de sílice . Soporta extensas deformaciones elásticas y tiene una relación de Poisson muy baja . Es posible una recuperación completa de la forma de una muestra de 3 mm de altura después de haberla comprimido hasta 0,1 mm. Su resistencia máxima a la tracción (UTS) depende de la densidad del material y es de aproximadamente 160 kPa a 8,5 mg / cm 3 y 1 kPa a 0,18 mg / cm 3 ; en comparación, los aerogeles de sílice más fuertes tienen un UTS de 16 kPa a 100 mg / cm 3 . El módulo de Young es ca. 15 kPa a 0,2 mg / cm 3 en tensión, pero es mucho menor en compresión, aumentando de 1 kPa a 0,2 mg / cm 3 a 7 kPa a 15 mg / cm 3 . [1] La densidad dada por los autores se basa en una medición de masa y la determinación del volumen exterior de las espumas sintéticas como se realiza habitualmente también para otras estructuras.
El aerografito es superhidrofóbico , por lo que sus muestras del tamaño de un centímetro repelen el agua; también son bastante sensibles a los efectos electrostáticos y saltan espontáneamente a objetos cargados. [1]
Síntesis
Aspectos comunes de la síntesis:
con el proceso de deposición química en vapor (CVD) del aerografito, en 2012 se demostró que los óxidos metálicos son una plantilla adecuada para la deposición de estructuras grafíticas. Las plantillas se pueden quitar in situ. El mecanismo básico es la reducción del óxido metálico a un componente metálico, la nucleación del carbono en y encima del metal y la evaporación simultánea del componente metálico. Los requisitos para los óxidos metálicos son: una baja energía de activación para la reducción química, una fase metálica, que puede nuclear el grafito, un bajo punto de evaporación de la fase metálica (ZnO, SnO). Desde la perspectiva de la ingeniería, el proceso CVD desarrollado permite el uso de procesamiento de polvo cerámico (uso de partículas personalizadas y puentes de sinterización) para la creación de plantillas para carbono 3D a través de CVD. Las principales ventajas en comparación con las plantillas metálicas de uso común son: la variedad de formas de partículas, la creación de puentes de sinterización y la eliminación sin ácidos. El mecanismo CVD, que se demostró originalmente en redes de grafito mallado de tamaño de µm, había sido adoptado después de 2014 por otros científicos para crear estructuras de carbono de tamaño nm. [2] [3]
Detalles específicos de la referencia: [1] El
aerografito se produce por deposición de vapor químico , utilizando una plantilla de ZnO . La plantilla consta de varillas de una micra de espesor, a menudo en forma de multípodes, que se pueden sintetizar mezclando cantidades comparables de polvos de polivinil butiral de Zn y polivinilo y calentando la mezcla a 900 ° C. La síntesis de aerografito se lleva a cabo a ~ 760 ° C, bajo un flujo de gas argón, al que se inyectan vapores de tolueno como fuente de carbono. Se deposita una fina capa discontinua de carbono (~ 15 nm) sobre el ZnO, que luego se elimina mediante la adición de hidrógeno gaseoso a la cámara de reacción. Por lo tanto, la red de carbono restante sigue de cerca la morfología de la plantilla de ZnO original. En particular, los nodos de la red de aerografito se originan en las articulaciones de los multípodes de ZnO. [1]
Aplicaciones potenciales
Los electrodos de aerografito se probaron en un condensador eléctrico de doble capa (EDLC, también conocido como supercondensador ) y resistieron los choques mecánicos relacionados con los ciclos de carga y descarga y la cristalización del electrolito (que se produce al evaporarse el disolvente). Su energía específica de 1,25 Wh / kg es comparable a la de los electrodos de nanotubos de carbono (~ 2,3 Wh / kg). [1]
Velas ligeras
Al ser tanto negro como claro, el aerografito se ha propuesto como material candidato para velas ligeras . [4]
Ver también
Referencias
- ^ a b c d e f Mecklenburg, Matthias; Schuchardt, Arnim; Mishra, Yogendra Kumar; Kaps, Sören; Adelung, Rainer; Lotnyk, Andriy; Kienle, Lorenz; Schulte, Karl (2012). "Aerografito: material de microtubo de carbono ultraligero y flexible con nanopartículas de carbono con un rendimiento mecánico excepcional". Materiales avanzados . 24 (26): 3486–90. doi : 10.1002 / adma.201200491 . PMID 22688858 .
- ^ Phokharatkul, D .; Wisitsoraa, A .; Lomas, T .; Tuantranont, A. (2014). "Nanotetrápodos de carbono hueco 3D sintetizados por transporte de fase de vapor de tres pasos". Carbono . 80 : 325–338. doi : 10.1016 / j.carbon.2014.08.071 .
- ^ Gong, W .; Chen, W .; Él, J .; Tong, Y .; Liu, C .; Su, L .; Su, L .; Gao, B .; Yang, H .; Zhang, Y .; Zhang, X. (2015). "Síntesis independiente del sustrato y de gran área de películas delgadas de nanotubos de carbono utilizando nanobarras de ZnO como plantilla y dopamina como precursor de carbono". Carbono . 83 : 275-281. doi : 10.1016 / j.carbon.2014.11.018 .
- ^ Heller, René; Anglada-Escudé, Guillem; Hippke, Michael; Kervella, Pierre (2020). "Precursor de bajo costo de una misión interestelar". Astronomía y Astrofísica . 641 : A45. arXiv : 2007.12814 . Bibcode : 2020A & A ... 641A..45H . doi : 10.1051 / 0004-6361 / 202038687 . S2CID 220793708 .
enlaces externos
- Experimento electrostático en video en YouTube