Grafencoating omdanner skrøbelige aerogeler til superelastiske materialer

(Phys.org) - Som at tage en Supermans kappe på, skrøbelige carbon nanorør (CNT) aerogeler, der er dækket af en grafenbelægning, kan transformeres fra et materiale, der let falder sammen under komprimering til et, der kan modstå store mængder kompression og fuldstændigt genoprette sin oprindelige form efter fjernelse af belastningen. Superelasticiteten og træthedsmodstanden fra grafencoatingen kan gøre CNT -aerogeler nyttige på en række områder, herunder som elektroder, kunstige muskler, og andre mekaniske konstruktioner.

Forskerne, Kyu Hun Kim, Youngseok Åh, og Mohammad F. Islam ved Carnegie Mellon University i Pittsburgh, Pennsylvania, har offentliggjort deres papir om de mekaniske fordele ved en grafencoating på CNT aerogeler i et nyligt nummer af Naturnanoteknologi .

"Vi demonstrerer transformationen af ​​et nanorørnetværk fra skrøbeligt til superelastisk blot via 'nanocoating, «, Fortalte islam Phys.org . "Typisk, belægning tilføjer korrosionsbestandighed, smøring, æstetik, ændring af overfladekemi, forsegling, etc., men ikke mekanisk ejendomsændring. "

Mens en normal gel hovedsagelig består af flydende materiale med et tværbundet netværk, der giver den sin solid-lignende struktur, en aerogel dannes ved at udskifte det flydende materiale i en gel med en gas. Forskere gør dette ved at tørre den originale gel ved en kritisk temperatur. Den resulterende aerogel er et letvægtsmateriale fremstillet af 99,9% luft i volumen, alligevel en, der også er tør, stiv, og stærk som et fast stof.

I den aktuelle undersøgelse, forskerne arbejdede med CNT aerogels, som (ud over luften) er lavet af dispergerede nanorør, der er cirka 1 mikrometer lange. CNT aerogeler holder deres form på grund af molekylære interaktioner ved knuderne, de punkter, hvor nanorørene krydser hinanden. Imidlertid, når disse aerogeler komprimeres med op til 90% af deres oprindelige størrelse, de falder sammen eller bliver permanent deformerede, begrænsning af potentielle applikationer.

For at overvinde dette problem med uelasticitet, forskerne demonstrerede, at et til fem lag grafencoating gør det muligt for en CNT -aerogel at modstå mere end 1 million trykcyklusser og vende tilbage til sin oprindelige form efter kompressionsfrigivelse. Evnen til at modstå denne kompression gør aerogeler til superelastiske materialer, samtidig med at de tillader dem at bevare deres andre egenskaber som porøsitet og ledningsevne.

Forskerne mener, at grafenbelægningen giver denne superelasticitet til aerogelen ved at styrke aerogelens knuder og stivere, som begge understøtter aerogelens netværksstruktur. I ikke-belagte aerogeler, stiverne kan bøje og frit rotere omkring noderne, når de komprimeres, som øger kontaktområdet mellem nanorør og danner nye noder. Når belastningen fjernes, de nye knuder forbliver, da der kræves mere kraft for at fjerne noderne end at danne dem.

I modsætning, de stærkere stivere i grafencoatede aerogeler kan ikke let rotere om noderne, når de komprimeres. Selvom der også dannes nye knuder i de belagte aerogeler, grafenbelægningen kan fjerne disse knuder, når belastningen fjernes.

"Både CNT-aerogeler og grafen-belagte CNT-aerogeler danner 'nye' noder, når de komprimeres, ”Forklarede islam. ”Vi tror, ​​at grafen ved knuderne bliver komprimeret og krøllet, når de grafenovertrukne aerogeler komprimeres. Når belastningen fjernes, nanorør aerogeler genopretter ikke den oprindelige form, fordi der ikke er nogen genopretningskraft til at 'bryde' de nye knuder, der dannedes under komprimering. I modsætning, de komprimerede og krøllede grafenflager giver den genoprettende kraft (dvs. fungere som fjedre), der er nødvendig for at bryde disse nye knuder i grafencoatede aerogeler. ”

CNT -aerogeler, der kan gennemgå høje kompressionsniveauer og senere springe tilbage til deres oprindelige former, kunne åbne dørene for nye aerogel -applikationer. CNT aerogels har allerede attraktive funktioner, såsom den iboende fleksibilitet ved aerogelsyntese, der gør det muligt for forskere at kontrollere deres former og størrelser, og superelasticitet gør disse materialer endnu mere attraktive.

“CNT aerogels, især enkeltvæggede carbon nanorør (SWCNT) aerogeler, har et højt overfladeareal, er elektrisk ledende, har store porer, og har temmelig gode termiske afledningsegenskaber, hvis du mener, at mængden af ​​materiale i dem er virkelig lille, ”Sagde Islam, tilføjer, at hans team for nylig har udgivet artikler om aerogelernes varmetransportegenskaber og et overfladeareal tæt på den teoretiske grænse. ”På grund af deres egenskaber, CNT aerogeler kan bruges som et stillads til fremstilling af kompositter, sigter, ultralette varmelegemer i applikationer med høj tyngdekraft, elektroder, og katalysatorbærere. Typisk, nanorør er uforenelige med polymerer og har tendens til at fasesegregeres. Ved at bruge aerogeler som et stillads og genopfyldning med polymer, nanorør kan forblive godt dispergeret i polymermatrixen. Dette kan forbedre den mekaniske forbedring betydeligt. ”

Forskerne undersøger i øjeblikket andre områder af CNT -aerogeler, foruden superelasticitet.

”Vi arbejder i øjeblikket på et par projekter, Sagde han. ”Vi bruger SWCNT aerogeler til at lave elektrisk ledende kompositter. Vi undersøger også fremstilling af mekanisk stærke polymerkompositter. Med vores samarbejdspartnere, vi undersøger de elektrokemiske egenskaber ved SWCNT aerogeler. Vi dyrker metal nanopartikler på disse SWCNT aerogeler til brug som filtre til afhjælpning af skadelige kemikalier fra vand. Vi bruger dem også som porøse 3D -ledende substrater til vævsvækst.

”Jeg tror, ​​modulet og styrken af ​​disse nanorør aerogeler skal forbedres uden at reducere porøsiteten. Som du kan forestille dig, aerogeler kan gøres betydeligt stærkere ved blot at øge volumenfraktionen af ​​nanorør i dem, men dette vil reducere porøsiteten. ”

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.