„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.
Mohlo by vás zajímat:
Nanostruktury
inspirované přírodou mění odpadní vodu na pitnou
Čistý
grafen vykazuje silnou fotoodezvu
Fyzikální
TOP 10 roku 2018 – část 2
Fyzikální
TOP 10 roku 2018 – část 1