Lekki jak powietrze, twardy jak skała. Ten materiał zrewolucjonizuje inżynierię
Zespół badawczy kierowany przez niemiecki Uniwersytet w Kilonii (CAU), wykorzystał aerografen do opracowania nowej metody generowania kontrolowanych wybuchów elektrycznych. Może to pomóc w opracowaniu niezwykle wydajnych pomp, sprężarek i filtrów powietrza.
Aerografen składa się z drobno ustrukturyzowanej sieci kanalików opartych na grafenie z licznymi wgłębieniami. Dzięki temu jest on niezwykle stabilny, przewodzi prąd i jest prawie tak lekki, jak powietrze. Teoretycznie 450 gramów tego materiału wystarczy, aby utrzymać słonia.
Zespołowi naukowców udało się wielokrotnie podgrzać i schłodzić aerografen oraz zawarte w nim powietrze do bardzo wysokich temperatur w bardzo krótkim czasie. Rozwiązanie może pomóc w stworzeniu niezwykle wydajnych miniaturowych pomp, sprężarek czy filtrów powietrza. Artykuł, w którym opisano ich pracę, jest tematem przewodnim w bieżącym numerze renomowanego czasopisma naukowego Materials Today.
"Kiedy po raz pierwszy przedstawiliśmy te materiały, były one jak dotąd najlżejszą klasą materiałów na świecie, o gęstości zaledwie 0,2 miligrama na centymetr sześcienny. Ponieważ jest to praktycznie powietrze, nazwaliśmy je aeromateriałami" – powiedział Rainer Adelung, profesor zajmujący się badaniem funkcjonalnych nanomateriałów na Uniwersytecie Kilońskim.
Nowe odkrycia dostarczają wiedzy na temat tego, jak aeromateriały mogą przejść od badań podstawowych do zastosowań. Materiałoznawcy z Kilonii dostrzegli kolejne właściwości, które umożliwiają innowacje w pneumatyce, robotyce czy technologii filtrów powietrza.
"W naszych eksperymentach odkryliśmy, że aeromateriały wykonane z grafenu i innych przewodzących nanomateriałów, mogą być niezwykle szybko podgrzewane elektrycznie, nawet do kilkuset stopni na milisekundę, ze względu na ich niską gęstość" – wyjaśnia dr Fabian Schütt z CAU.
Materiałoznawcy wykorzystali aerografen, który składa się z zaledwie kilku warstw atomów węgla i 99,9 proc. powietrza. Podczas podgrzewania temperatura powietrza zawartego wewnątrz materiału również bardzo szybko wzrasta. W przypadku ekspresowego ogrzewania następuje rozszerzenie objętości i dochodzi do "eksplozji".
"Oznacza to, że jesteśmy teraz w stanie wykorzystać aerografen do inicjowania małych kontrolowanych i powtarzalnych eksplozji, które nie wymagają reakcji chemicznej" – podsumowuje swoje odkrycia Schütt.
"Oznacza to, że jesteśmy teraz w stanie wykorzystać aerografen do inicjowania małych kontrolowanych i powtarzalnych eksplozji, które nie wymagają reakcji chemicznej" – podsumowuje swoje odkrycia Schütt.
Dzieje się tak, ponieważ aerografen niemal równie szybko się ochładza, co ogrzewa, zaraz po odcięciu zasilania. "Ze względu na bardzo niską pojemność cieplną nie jest w stanie zmagazynować ciepła. Poprzez swoją strukturę sieciową bardzo szybko oddaje je z powrotem do zawartego w nim powietrza" – kontynuuje Schütt.
Szybkie nagrzewanie i chłodzenie materiału umożliwia naukowcom wywołanie kilku eksplozji na sekundę, jedna po drugiej. "W ten sposób za naciśnięciem przycisku uzyskujemy niezwykle wydajne sprężone powietrze, bez konieczności stosowania sprężarek i dostaw gazu" – wyjaśnia Adelung.
Naukowcy chcą wykorzystać ten efekt do opracowania nowych pomp, które mogą być specjalnie regulowane, a także wysokowydajnych siłowników w miniaturowym formacie.
Jako jeden z przykładów potencjalnych zastosowań, grupa badawcza Adelunga we współpracy z niemieckim dostawcą lotniczym Lufthansa Technik opracowuje obecnie nowe materiały i systemy filtrów powietrza oparte na aerografenie. Projekt jest finansowany przez Graphene Flagship i w przyszłości może być wykorzystany w produkcji samolotów.
