Наноматериал аэрографен, используемый для создания сверхмощных насосов

Международная исследовательская группа под руководством ученых из Киля разработала новый метод создания управляемых электрических взрывов.

Теоретически, чтобы поднять слона, достаточно всего 450 граммов этого материала: Такой способностью "аэрографен" обязан своей уникальной структуре на наноуровне. Визуально похожий на черную пену, он на самом деле состоит из тонко структурированной трубчатой сети на основе графена с многочисленными пустотами. Это делает его чрезвычайно стабильным, проводящим и почти таким же легким, как воздух. Международная исследовательская группа под руководством материаловедов из Кильского университета (CAU) сделала важный шаг на пути к практическому применению. Им удалось многократно нагревать и охлаждать аэрограф и содержащийся в нем воздух до очень высоких температур за чрезвычайно короткий промежуток времени. Это позволяет создавать чрезвычайно мощные насосы, использовать сжатый воздух или стерилизовать воздушные фильтры в миниатюре. Статья появилась на обложке текущего номера известного научного журнала " Materials Today".

Аэрографен

"Когда мы впервые представили эти материалы, они были самым легким классом материалов в мире на сегодняшний день, с плотностью всего 0,2 миллиграмма на кубический сантиметр. Поскольку это практически воздух, мы назвали их "аэроматериалами"", - вспоминает Райнер Аделунг. Профессор кафедры функциональных наноматериалов CAU разработал материалы, которые были впервые представлены в 2012 году, вместе с коллегами из Гамбургского технологического университета. Удивительные свойства аэроматериалов вызвали интерес во всем мире и с тех пор интенсивно изучаются, например, в рамках крупной европейской исследовательской инициативы " Graphene Flagship ".

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Это новое исследование вносит вклад в то, как аэроматериалы могут перейти от фундаментальных исследований к практическому применению. Материаловеды из Киля совместно с коллегами из Технического университета Дрездена, Университета Южной Дании, Университета Тренто, Лондонского университета королевы Марии обнаружили дополнительные свойства, которые позволят внедрить инновации в пневматику, робототехнику или технологию воздушных фильтров.

"В наших экспериментах мы обнаружили, что аэроматериалы, изготовленные из графена и других проводящих наноматериалов, могут нагреваться электричеством чрезвычайно быстро, до нескольких сотен градусов в миллисекунду, благодаря своей низкой плотности", - объясняет доктор Фабиан Шютт из CAU, который руководил и проводил эксперименты вместе с доктором Флорианом Рашем. Для этого материаловеды использовали аэроматериал "аэрографен", который состоит всего из нескольких слоев атомов углерода и 99,9% воздуха. При нагревании этот воздух, содержащийся внутри материала, также чрезвычайно быстро нагревается и расширяется. В случае очень быстрого нагрева происходит увеличение объема, и говорят о "взрыве". "Это означает, что теперь мы можем использовать аэрографен для запуска небольших контролируемых и повторяемых взрывов, которые не требуют химической реакции", - говорит Шютт, резюмируя свои выводы.

Это происходит потому, что аэрографен почти так же быстро нагревается, как и остывает, как только отключается питание. "Он практически не может накапливать тепло из-за своей чрезвычайно низкой теплоемкости. Благодаря своей сетевой структуре он очень быстро отдает его обратно в воздух", - продолжает Шютт. Быстрое нагревание и охлаждение материала позволяет исследователям запускать несколько взрывов в секунду, один за другим. "Это дает нам возможность получать чрезвычайно мощный сжатый воздух одним нажатием кнопки, без компрессоров и подачи газа, которые необходимы в других случаях", - объясняет Аделунг.

Материал уже выдержал более 100 000 циклов - патент находится на рассмотрении

Ученые используют этот эффект для разработки новых насосов, которые можно специально регулировать, а также высокопроизводительных приводов в миниатюрном формате. "Если поместить аэроматериал в цилиндр под давлением и нагреть его электричеством, то образующийся воздушный поток можно использовать для целенаправленного перемещения объектов вверх и вниз несколько раз в секунду", - объясняет Раш, который недавно защитил докторскую диссертацию на эту тему. В своих экспериментах два первых автора, Шютт и Раш, смогли показать, что даже небольшое количество аэрографена может перемещать объекты, которые во много раз тяжелее. Например, 10 миллиграммов аэрографена было достаточно, чтобы поднять двухкилограммовый груз всего за несколько миллисекунд. Таким образом, актуаторы, разработанные с использованием аэрографена, обладают высокой плотностью энергии при сохранении больших изменений объема.

"В отличие от химических реакций, эти небольшие электрические взрывы можно контролировать очень точно, а также они очень чистые. Изменяя продолжительность и силу подаваемого тока, мы можем точно контролировать частоту и силу воздушных взрывов", - говорит Раш. Благодаря чрезвычайной проводимости аэроматериалов для этого требуется лишь небольшое количество электроэнергии. В экспериментах, проведенных в Киле, материал уже выдержал 100 000 циклов, и на него уже подана заявка на патент.

В качестве одного из примеров применения, исследовательская группа Аделунга в настоящее время разрабатывает новые материалы и системы воздушных фильтров на основе аэрографена в сотрудничестве с немецким авиационным поставщиком Lufthansa Technik и при финансовой поддержке Graphene Flagship. "Воздушные потоки могут очень хорошо направляться через открытую сетевую структуру материала и сильно нагреваться в течение короткого времени. Таким образом, бактерии и вирусы, например, могут быть отфильтрованы из воздуха и убиты", - сказал Аделунг. "Это может позволить таким системам фильтрации функционировать самоочищающимся образом и работать без дорогостоящего обслуживания в будущем". опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Лучшие публикации в Telegram-канале Econet.ru. Подписывайтесь!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet