Verdens letteste materiale Aerografit og dets bizzare egenskaber

I aerografit bruges grafitafstøbninger nu til at fremstille verdens letteste materiale, endnu lettere og stivere end aerogel. Materialet som er skabt af forskere fra Kiel og Hamborg (se link til artikel i Advanced Materials) er kulsort, hårdt, elektrisk ledende og er duktilt - hvilket vil sige at det i modsætning til aerogel er formbart. Det er lavet af et stærkt spindelvæv af grafit, der er "støbt" udenpå en tre-dimensionel ramme af zink-oxid nanotråde (se billedet). Når først zink-oxid rammen forsigtigt er ætset væk, står du tilbage med verdens letteste materiale - med en tæthed på kun 0.2 milligram per kubikcentimeter - aerogels vejer typisk 3 mg/cm3 (wikipedia).

Det er 6 gange lettere end luft - men så har man vist også fraregnet den luft det indeholder, som er ca. 1.2 mg/cm3 ved stuetemperatur.

**(ZnO nanotråde i et tetrapodalt - hvis der er noget der hedder det - netværk)
*** (Efter ætsning af ZnO udgør de nanometer tynde grafit-afstøbninger materialet aerografit)*

Det får jeg til at en kubikmeter af dette besynderlige kulstof materiale skulle veje det samme som et glas vand - uden glas!

Men hør nu blot:

Trods den lave massefylde, kan aerografit komprimeres 95% og trækkes ud igen, tilsyneladende uden at blive beskadiget, og i modsætning til almindelige materialer, bliver det - somme tider - endnu stærkere af den ekstreme deformation.

*(Plottet viser Youngs modulus - elasticitetsmodulet - som funktion af tætheden - plottet som specifik volumen, invers tæthed. Youngs modul er noget i retning af 15 kPa - ikke specielt imponerende, før man tager den ekstremt lave densitet med i betragtning). *

Og mens grafen normalt bryster sig af at være optisk transparent (så vi kan lave solceller og touchscreens og så videre), går aerografit den modsatte vej: det er det sorteste sort, med en meget høj (hvor høj præcis?) lys absorption, formentlig fordi lyset kan trænge en smule ind i materialet og derinde bliver spredt og absorberet meget effektivt. Samme teknik bruges i mange moderne højeffektive solcellemateriale. Nå ja - så er materialet på grund af sit store indhold af luft (det er stort set ikke andet) ekstremt vandafvisende (hydrofobt). "Og hvad kan vi så med et sådant materiale?"

Det er oplagt at se på batteriteknologi, hvor porøse kulstof materialer allerede undersøges på grund af det høje overfladeareal (som må være absurd højt for aerografit), kombineret med god elektrisk ledningsevne. Dette betyder at store mængder ladning kan ophobes per vægtenhed, hvilket såvidt jeg ved er en af de vigtigste "figures-of-merit" for batterier og superkapacitorer. Det er også interessant at materialet kan omformes mekanisk - jeg forestiller mig en slags sort modeller-materiale der kan trykkes til en hvilken som helst form, måske gentagne gange.

"Og hvad så mere?" **Ja, det er (med en vis sandsynlighed) *dig *der er ingeniør... hvad kan sådan et materiale bruges til ?

(i vores makro-verden bruges tetrapoder blandt andet som diger, men det er nok ikke den mest oplagte anvendelse på nanoskale Eksternt billede

Peter Bøggilds billede
Peter Bøggild
er professor i nanoteknologi på DTU. På NanoBlogien skriver han om stort, småt og tusind gange mindre.

Kommentarer (23)

Jeg har selv tænkt tanken, at hvis man kunne lave en stiv ballon og derefter pumper luften ud af den - så vil man have en vakuum-ballon.

Men efter at have snakket med det med en ven, der har en P.hD i nanoteknologi er jeg blevet klogere på om det vil kunne lade sig gøre.

Der findes nemlig ikke materialer, som er tætte og og samtidigt lette nok til, at man kan undgå, at vakuumet vil suge atomer og molekyler fra den omkringliggende atmosfære til sig - og vakuumet vil med tiden aftage. Altså, istedet for at gassen vil sive AF ballonen, vil gassen sive I ballonen.

Men det er en sjov tanke :)

  • 0
  • 0

Der findes nemlig ikke materialer, som er tætte og og samtidigt lette nok til, at man kan undgå, at vakuumet vil suge atomer og molekyler fra den omkringliggende atmosfære til sig - og vakuumet vil med tiden aftage. Altså, istedet for at gassen vil sive AF ballonen, vil gassen sive I ballonen.

Men det er en sjov tanke :)

Hvis ikke luften siver meget, kunne man nok acceptere at bruge energi på en mindre vakuumpumpe, der kører kontinuerligt.
En tungere end luft membran omkring materialet er vel heller ikke et problem.

  • 0
  • 0

Der findes faktisk 1 materiale der kan holde alle luftmolekyler ude, og både stærkt og let ---

grafen!

Så hvis man klæder en ballon på med grafen, så virker det!

--- ja bortset fra at lufttrykket vil kollapse det på et millisekund.

  • 0
  • 0

Aerogels er meget, meget varmeisolerende.

Her bliver det interessant for grafit eller rettere grafen er måske nok det materiale man kender overhovedet med den bedste varmeledningsevne (i grafen-planernes retning)

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl0731872

Så vi har et meta-materiale der i kraft af sin struktur nok har en lav varmeledningsevne, mens det i kraft af det stof det er lavet af, skulle have en høj varmeledningsevne. Såvidt jeg husker skriver forfatterne ikke noget om varmetransport - men jeg må nok hellere lige kigge efter når jeg får tid.

  • 0
  • 0

Der findes faktisk 1 materiale der kan holde alle luftmolekyler ude, og både stærkt og let ---

grafen!

Så hvis man klæder en ballon på med grafen, så virker det!

--- ja bortset fra at lufttrykket vil kollapse det på et millisekund.

Spændende! Mht. lufttrykket, så skal ballonen vel kun holde til et tryk på 1 atmosfæres tryk? Det må da kunne laves ved hjælp af noget topologisk optimering (en slags indre skum-struktur, kunne jeg forestille mig) og en 3d-printer, som printer strukturen ud i et lufttomt rum. Derefter skal ballonen males med noget grafen - et voila - første skridt til vægtløse strukturer og flyvende biler :)

  • 0
  • 0

Nogle af de mest oplagte formål, har du jo allerede nævnt i blogindlægget.

Jeg tænkte stort set kun på batterier, hele vejen ned til det afsnit, hvor du selv nævner det, for det tyder bestemt meget på at det er et af de materialer batteri-branchen står og sukker efter.

Men hvad det kan bruges til, afhænger jo meget af hvor dyrt/vanskeligt/tidskrævende/energikrævende/o.s.v. det er at fremstille og bearbejde det, i en industrialiseret process.

Har du gjort dig overvejelser om det?

Hvor henne på skalaen fra flamingo til Inconel ligger vi?

(hvis vi da overhovedet er indenfor ;-)

Endvidere; kan man ændre elasticiteten (afstive eller blødgøre det) uden det går for meget udover tætheden?

For at kunne udnytte egenskaben til batterier, skal det jo være muligt at belægge overfladen i kulstofstrukturen med aktive metaloxider eller -fosfater, i et så tynde lag at det ikke lukker strukturen.

Er det muligt?

I øvrigt skal det være muligt at forhindre korrosive belægninger, som jo vil lukke strukturen næsten øjeblikkeligt - hvis det skal bruges til batterier.

Men det er vel et spørgsmål for batteri-doktorer.

  • 0
  • 0

Nogle af de mest oplagte formål, har du jo allerede nævnt i blogindlægget.

Jeg tænkte stort set kun på batterier, hele vejen ned til det afsnit, hvor du selv nævner det, for det tyder bestemt meget på at det er et af de materialer batteri-branchen står og sukker efter.

>> Det ved de nok ikke endnu :)

Men hvad det kan bruges til, afhænger jo meget af hvor dyrt/vanskeligt/tidskrævende/energikrævende/o.s.v. det er at fremstille og bearbejde det, i en industrialiseret process.

>> Foreløbigt tvivler jeg på at forskerne kan lave ret store mængder af det. Men når man ved hvad det er man skal lave, er det som regel nemmere at finde en smart måde at lave det på... som regel! ... Andre gange opdager man den "billige" løsning ved et tilfælde, som f.eks. "metoden" til at lave champagne.

Har du gjort dig overvejelser om det?

>> Ja, men der er ofte er der frygtindgydende afstand fra det lovende materiale til det rent faktisk kan købes i Silvan. "Ofte" --- igen er der dejlige undtagelser fra reglen.

Hvor henne på skalaen fra flamingo til Inconel ligger vi?

>> Såvidt jeg husker lå det på 15kPa ved træk og væsentligt mindre ved kompression, så det kan sammenlignes med flamingo (1-10 kPa Youngs modul)---- der vejer meget meget mere, til gengæld.

(hvis vi da overhovedet er indenfor ;-)

Endvidere; kan man ændre elasticiteten (afstive eller blødgøre det) uden det går for meget udover tætheden?

>> Sikkert!

For at kunne udnytte egenskaben til batterier, skal det jo være muligt at belægge overfladen i kulstofstrukturen med aktive metaloxider eller -fosfater, i et så tynde lag at det ikke lukker strukturen.

Er det muligt?

>> Det er jeg ret sikker på det kan, men det vil måske ændre de mekaniske egenskaber og densiteten.

I øvrigt skal det være muligt at forhindre korrosive belægninger, som jo vil lukke strukturen næsten øjeblikkeligt - hvis det skal bruges til batterier.

Men det er vel et spørgsmål for batteri-doktorer.

  • 0
  • 0

Tak for svarene Peter - heriblandt:

>> Det ved de nok ikke endnu :)

Skal jeg prøve at lufte sagen lidt på et par af de batteri-fora jeg er medlem af?

I så fald, har du en beskrivelse på engelsk - eller skal jeg forsøge at lave en oversættelse af ovenstående?

  • 0
  • 0

Aerografit kunne være interessant som det mellemliggende materiale i sandwich konstruktioner hvor vægten skal holdes på et minimum. F.eks til fly, biler, sikkerhedsudstyr og højttalermembraner, bare for at nævne nogle få.

Hvis materialet kan manipuleres gennem sammenpresning er det måske muligt at benytte det både til de stive (sammenpressede) carbon-yderlag og til det lette mellemliggende materiale der giver stivhed ved at give afstand mellem yderlagene.

Kan dette opnås gennem én presse-process burde det være muligt at lave meget lette og stive formede plade-emner med relativt lave oproduktionsmkostninger (selvfølgeligt under forudsætning af at råmaterialet aerografit kan produceres i store mængder uden at koste spidsen af en jetjager).

  • 0
  • 0

Aerografit kunne være interessant som det mellemliggende materiale i sandwich konstruktioner hvor vægten skal holdes på et minimum. F.eks til fly, biler, sikkerhedsudstyr og højttalermembraner, bare for at nævne nogle få.

Hvis materialet kan manipuleres gennem sammenpresning er det måske muligt at benytte det både til de stive (sammenpressede) carbon-yderlag og til det lette mellemliggende materiale der giver stivhed ved at give afstand mellem yderlagene.

Kan dette opnås gennem én presse-process burde det være muligt at lave meget lette og stive formede plade-emner med relativt lave oproduktionsmkostninger (selvfølgeligt under forudsætning af at råmaterialet aerografit kan produceres i store mængder uden at koste spidsen af en jetjager).

I betragtning af, at det er et materiale, som nemt kan presses sammen, og sandsynligvis ikke har stor trækstyrke, så tror jeg ikke, at det kan anvendes i bærende konstruktioner. Derimod, vil det kunne bruges som fyldmiddel, for at få luften, til at stå stille - altså som isolering.

  • 0
  • 0

Bør det vel kunne svæve, hvis man varmer det op (fordi der på langt sigt skal være samme lufttryk "indenfor" og "udenfor"). Hvad det skulle bruges til ved jeg ikke, men en opvarmning med 50-60 grader C burde være nok. Hvis transporten af luftmolekyler ind og ud af materialet ikke er instantan kunne det måske bruges til dynamisk temperaturmåling, eventuelt i kombination med noget feed-back?

  • 0
  • 0

Mere...

Atmosfærisk luft ved 1 atmosfære har massefylden/vejer ca. 1,3g/dm^3 dvs 1,3mg/cm^3.

Helium-4(almindeligt helium) ved 1 atmosfære har massefylden/vejer ca. 0,17g/dm^3 dvs 0,17mg/cm^3.

Brint/hydrogen ved 1 atmosfære har massefylden/vejer ca. 0,09g/dm^3 dvs 0,09mg/cm^3.

Det letteste aerografit vejer i sig selv 0,18mg/cm^3 og er superstærk og er forhåbentlig også kompressionsstabilt:
http://da.wikipedia.org/wiki/Aerografit

Dvs at man kunne lave et stort rumfang luftskib og beklæde overfladen med et lufttæt UV-resistent materiale. Husk at en kugles rumfang stiger med r^3 og overflade med r^2 - og det gælder også mange andre rumfangsformer hvis 3 ortogonale længder stiger passende med rumfanget. Det kan formentlig laves uden aluminiumskelet. Selvfølgelig kan man gøre beholderen "synkefri" ved at dele den op i flere delbeholdere.

Så kan aerografit beholderen pumpes lufttom og den vil være lettere end luft og kun være halv så tung som brint og veje næsten lige så lidt som helium-4!

Effektivt kan 1 m^3 lufttom aerografit løfte ca. 1 kg ved jordoverfladen.

Stratelliter kan også få gavn af aerografit:
http://en.wikipedia.org/wiki/Stratellite

-

Faktisk er det ikke umuligt, at man kan lave en hulrumstruktur inde i aerografitten - og dermed gøre den lufttomme aerografit beholder endnu lettere - og dermed give endnu mere statisk opdrift.

Måske kunne den statiske opdrift styres ved at indsnøre den lufttomme aerografit beholder mere eller mindre? Det forudsætter at beholderens indre struktur er afstemt til det.

En sådan struktur ville i mange situationer også befordre et elastisk sammenstød i tilfælde af kollisioner.

De nederste 10..15km vej af en rumelevators stol kunne benytte en lufttom aerografit beholder under opfart - og samle den op på nedvejen og snøre den efter behov. Det vil måske være bedre at beholde den på elevatorstolen hele vejen op (og ned)?

-

Faktisk kunne fly udstyres med lufttomme aerografit bolde/elipsoider i alle hulrum i vinger og krop og dermed forbedre den statiske opdrift?
(Hvorfor udstyres (passager)skibe ikke med elastiske stabelbare luftbolde/flamingo lige under vandlinjen, så de er synkefri? Eller dobbeltskroget fyldes med det og har en tykkelse så skibet bliver synkefrit? I princippet er det jo umuligt at sænke et skumfyldt punkterfrit hjuldæk i vand. http://en.wikipedia.org/wiki/Double_hull )

-

Måske kunne overfladen dækkes af solceller. Denne energi kunne anvendes til fremdrift og vakuumpumpning - og sende overskudsenergi ned til registrerede jordmodtagere via mikrobølger:

Empa (2013, January 18). Thin film solar cells: New world record for solar cell efficiency. ScienceDaily:
http://www.sciencedaily.com/releases/2013/...

.30. mar 2013, Ultratynde satellit-solceller forlænger mobilens batterilevetid.
Amerikansk firma hævder, at solceller af galliumarsenid kan give væsentlig længere batterilevetid til mobiltelefonen. Solcellerne fire gange tyndere end et menneskehår.
http://ing.dk/artikel/ultratynde-satellit-...

.18. dec 2012, Risøforskere vil skabe superbillige solceller af kobber, zink og tin.
Prisen på såkaldte ‘tyndfilmssolceller’ kan bankes i bund, hvis forskerne kan slippe for de kostbare metaller Indium og Galium. Derfor er DTU nu gået i gang med at udvikle solceller, der er baseret på kobber, zink og tin.
http://ing.dk/artikel/135027
Citat: "...
CZTS-celler
...
Men der er masser af kobber, zink og tin til rådighed, og ifølge Jørgen Schou kan cellematerialet opbygges med det helt rigtige båndgab ved hjælp af disse metaller plus sulfid (Cu2ZnSnS4).
..."

  • 0
  • 0

Hej Jens

Luften vil sive gennem 3D aerografitten, da den vil yde en vis luftmodstand.

Selv tætvævet 2D spindelvæv yder en betydelig luftmodstand.

Tænk også på hvor lidt vind der skal til for at sende de luftbårne mælkebøttefrø i luften.

En tråd er nok:
Edderkopper venter på den rette vind:
http://www.dmi.dk/dmi/edderkopper_venter_p...
Citat: "...
Flyveturene bruger edderkopperne til at finde nye jagtmarker. Nogle gange flyver de ikke så langt og falder ned efter ganske få meter. Andre gange kan de være heldige at stige til vejrs på opvinde og på den måde tilbagelægge enorme afstande.
..."

  • 0
  • 0