Новое семейство ультралёгких аэрогелей с химической разнообразностью
В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи сообщают о создании 194 образцов аэрогелей куполообразной структуры, включающих более 30 различных элементов с широким спектром химических составов, в том числе 121 оксид, 38 карбидов и 35 видов металлов.
Аэрогели отличаются высокой пористостью и очень низкой плотностью, обладают эластичностью и механическими свойствами, которые сохраняются даже при экстремальных температурах от 4,2 кельвина (К) до 2273 К.
Куполообразная структура
Куполообразная структура гидрогеля, вдохновлённая механически превосходными биологическими и архитектурными решениями, была получена с использованием метода химии в ограниченных двумерных каналах с плёнками оксида графена (GO) в качестве исходного материала. Эта уникальная геометрия обеспечивает отличную несущую способность и механическую стабильность, позволяя накапливать больше энергии упругой деформации по сравнению с традиционными структурами.
История создания аэрогелей
Двое учёных в начале 1900-х годов поспорили о том, можно ли удалить жидкость из желе и заменить её воздухом так, чтобы желе не уменьшилось в размерах. Результатом этого научного спора стало создание аэрогеля — синтетического ультралёгкого материала с высокой пористостью и низкой плотностью, который обычно получают из диоксида кремния и содержит от 50% до 99,98% воздуха по объёму.
С момента своего создания аэрогели нашли применение в теплоизоляции, доставке лекарств, аккумулировании энергии, поглощении газов и многих других областях. Несмотря на свою универсальность, традиционные аэрогели страдают от механической хрупкости и низкой эластичности.
Преодоление ограничений
Чтобы расширить возможности аэрогелей, исследователи разработали аэрогели, которые демонстрируют замечательную супеластичность — выдерживают деформацию на 99% в течение 20 000 циклов — и исключительную устойчивость к тепловым ударам при температуре 2273 К в течение более чем 100 циклов.
Для достижения этого состояния исследователи разработали простой метод создания куполообразных аэрогелей с использованием плёнок GO в качестве исходного материала, поскольку они тонкие, химически универсальные и коммерчески доступные.
Синтез аэрогеля включал три основных этапа: захват ионов, формирование пузырьков и термическую обработку.
На первом этапе плёнки GO пропитывали в солевых растворах, содержащих одиночные или множественные ионы. Слоистая структура GO позволяла воде легко проникать, образуя ограниченное двумерное пространство, способное улавливать ионы из растворов посредством хелатных взаимодействий с кислородными функциональными группами GO.
Затем добавляли пенообразователь для создания куполообразных пузырьков внутри слоёв GO. На последнем этапе куполообразные пузырьки подвергали термической обработке для удаления GO и превращения их в конечный аэрогель.
Исследователи также позаботились о том, чтобы куполообразные ячейки были соединены между собой через поверхностный контакт, поскольку это было важно для обеспечения эффективной передачи нагрузки по сети и повышения общей эластичности аэрогелей.
Они считают, что превосходные физические свойства этих аэрогелей делают их отличными кандидатами для использования в условиях повышенных термомеханических нагрузок, начиная от теплоизолированных промышленных систем и заканчивая суровыми условиями дальнего космоса.