Materiaalien etsiminen, jotka voivat vähentää energiankulutusta ja parantaa rakenteellisia ominaisuuksia, on tullut yksi teollisuuden ja tieteen tärkeimmistä painopisteistä. Tässä yhteydessä kevyimpien tunnettujen kiinteiden aineiden luominen laboratorio-olosuhteissa on ollut suuri saavutus.
Sisältö
Alhainen tiheys ei tarkoita haurautta, vaan pikemminkin mekaanisia ominaisuuksia, jotka tekevät tästä materiaalista monia perinteisiä materiaaleja paremman. Tämä tasapaino on epäilemättä herättänyt kiinnostusta laboratorioissa ja yrityksissä, jotka etsivät tehokkaampia vaihtoehtoja rakenteiden ja ekologisuuden kannalta.
Mikä on maailman kevyin kiinteä materiaali, joka on terästä lujempi?
Aerogeeli, joka tunnetaan myös nimellä grafeeniaerogeeli, on monien tutkijoiden mielestä kevyin kiinteä materiaali, joka on koskaan luotu. Sen tiheys on noin 0,16 milligrammaa kuutiosenttimetriä kohti, mikä on erittäin alhainen verrattuna perinteisiin teollisuudessa käytettyihin materiaaleihin.
Kuten ECS Transactions -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa selitetään, tämä yhdiste syntyy yhdistämällä kaksi materiaalia, jotka ovat jo tunnettuja keveydestään ja fysikaalisista ominaisuuksistaan: aerogeeli ja grafeeni. Aerogeeli erottuu huokoisesta rakenteestaan ja vähäisestä painostaan, kun taas grafeeni on kaksiulotteinen hiilen muoto, joka tunnetaan lujuudestaan ja johtavuudestaan.
Tuloksena on kiinteä aine, joka hauraudestaan huolimatta on erittäin luja. Erilaiset testit, esimerkiksi Materials-lehdessä julkaistut, ovat osoittaneet, että se kestää huomattavia kuormituksia ja palautuu muotoonsa voimakkaan puristuksen jälkeen, mikä on harvinaista materiaaleille, joiden tiheys on niin alhainen.
Aerogeelin, maailman kevyimmän kiinteän materiaalin, mekaaniset ominaisuudet ja käyttäytyminen.
Yksi aerogeelin mielenkiintoisimmista ominaisuuksista on sen mekaaniset ominaisuudet. Vaikka se on kevyin kiinteä materiaali, sen lujuus voi olla kymmenen kertaa suurempi kuin teräksen, kun tarkastellaan lujuuden ja painon suhdetta.
Tärkeimpiä ominaisuuksia ovat:
- Korkea joustavuus, kyky kestää yli 90 %:n muodonmuutoksia ilman pysyviä vaurioita.
- Tehokas kuormituksen jakautuminen huokoisen sisärakenteen ansiosta.
- Pitkäaikainen mekaaninen stabiilisuus, joka säilyy jopa kymmenien tuhansien puristussyklien jälkeen.
Aerografenin Youngin moduuli, materiaalin jäykkyysindeksi, vaihtelee sen tiheyden ja sisäisen rakenteen mukaan ja saavuttaa korkeat arvot materiaalille, jolla on tällaiset ominaisuudet. Tämä keveyden ja lujuuden yhdistelmä selittää, miksi sitä tutkitaan lupaavana vaihtoehtona raskaammille metalleille tai komposiittimateriaaleille.
Lisäksi sen sp²-hiilisidoksille perustuva rakenne tarjoaa merkittävän väsymiskestävyyden, mikä on ratkaiseva tekijä teollisissa sovelluksissa, joissa kestävyys on ensiarvoisen tärkeää.
Missä teollisuudenaloilla aerografeja voidaan käyttää ja mikä on niiden potentiaali?
Vaikka aerografeja kehitetään edelleen, niiden potentiaaliset sovellusalueet kattavat monia sektoreita. Kiinnostus niitä kohtaan ei rajoitu niiden asemaan kevyimpänä kiinteänä materiaalina, vaan ulottuu myös niiden lämpö-, sähkö- ja kemiallisiin ominaisuuksiin.
Ilmailu- ja avaruusteollisuudessa sitä tutkitaan rakenneosana, jolla voidaan vähentää painoa vahvuutta heikentämättä. Energia-alalla se on nousemassa lupaavaksi ehdokkaaksi paristojen ja superkondensaattoreiden tehokkuuden parantamiseen sen korkean johtavuuden ja suuren sisäpinnan alueen ansiosta. Sen käyttöä tutkitaan myös elektronisissa antureissa, lämpöeristyksessä ja nykyaikaisissa pinnoitteissa.
Muissa tutkimuksissa tutkitaan sen kykyä imeä öljyjä ja epäpuhtauksia, mikä avaa mahdollisuuksia sen käyttöön jäteveden puhdistuksessa ja ympäristön kunnostuksessa. Sen huokoinen rakenne mahdollistaa nesteiden imeytymisen sen eheyttä rikkomatta, mikä on erityisen arvokasta tilanteissa, joissa on tarpeen puhdistaa vuotoja.
Aerografi kehitettiin vuonna 2013 ryhmä tutkijoita Zhejiangin yliopistosta Kiinassa käyttämällä grafeenioksidin lyofilisointiprosessia yhdistettynä hiilinanoputkiin. Tämä menetelmä antoi heille mahdollisuuden poistaa happea materiaalista ja saada aikaan vakaa kolmiulotteinen rakenne.
Mitä tulee tämän materiaalin potentiaaliseen käyttöön ympäristönsuojelussa, Gao Chao, projektin johtava tutkija, totesi tuolloin: ”Öljyvuodon sattuessa voimme mahdollisesti suihkuttaa tätä materiaalia mereen, jotta se imeytyy nopeasti.”
