Nanomateriale aerographene bruges til at skabe ekstremt kraftfulde pumper

Et internationalt forskerhold ledet af Kiel har udviklet en ny metode til generering af kontrollerbare elektriske eksplosioner. Teoretisk set tager det kun 450 gram af dette materiale at løfte en elefant:"Aerographene" skylder denne evne til sin unikke struktur på nano-niveau. Visuelt ligner et sort skum, det består faktisk af et fint struktureret rørformet netværk baseret på grafen med adskillige hulrum. Dette gør den ekstremt stabil, ledende og næsten lige så let som luft. Et internationalt forskerhold ledet af materialeforskere fra Kiel University (CAU) har nu taget et stort skridt i retning af praktiske anvendelser. Det er lykkedes dem gentagne gange at opvarme og afkøle aerografen og den indeholdte luft til meget høje temperaturer på ekstremt kort tid. Dette muliggør ekstremt kraftige pumper, trykluftapplikationer eller sterilisering af luftfiltre i miniature. Artiklen optrådte som forsidehistorie i det aktuelle nummer af det anerkendte videnskabelige tidsskrift Materials Today .

"Da vi først introducerede disse materialer, var de den letteste klasse af materialer i verden til dato, med en densitet på kun 0,2 milligram pr. kubikcentimeter. Fordi det praktisk talt er luft, kaldte vi dem 'aeromaterials'", husker Rainer Adelung. Professoren i funktionelle nanomaterialer på CAU havde udviklet materialerne, som først blev præsenteret i 2012 sammen med kolleger fra Hamburgs tekniske universitet. De fascinerende egenskaber ved flyvematerialer skabte verdensomspændende interesse og er blevet forsket intensivt siden da, for eksempel i det store europæiske forskningsinitiativ "Graphene Flagship."

Denne nye undersøgelse giver et bidrag til, hvordan flymaterialer kan komme fra grundforskning til anvendelse. Materialeforskerne fra Kiel har sammen med kolleger fra Technische Universität Dresden, Syddansk Universitet, University of Trento, Queen Mary University of London, opdaget yderligere egenskaber, der muliggør innovationer inden for pneumatik, robotteknologi eller luftfilterteknologi.

'Aerographene' kan opvarmes og køles ned meget hurtigt

"I vores eksperimenter har vi fundet ud af, at Aeromaterials fremstillet af grafen og andre ledende nanomaterialer, kan opvarmes elektrisk ekstremt hurtigt med op til flere hundrede grader pr. millisekund på grund af deres lave tæthed," forklarer Dr. Fabian Schütt fra CAU, der ledede og udførte forsøgene sammen med Dr. Florian Rasch. For at gøre det brugte materialeforskerne "aerographene" aeromaterialet, som kun består af et par lag kulstofatomer og 99,9 % luft. Når den opvarmes, opvarmes denne luft inde i materialet også ekstremt hurtigt og udvider sig. Ved meget hurtig opvarmning sker der en udvidelse i volumen, og man taler om en "eksplosion". "Det betyder, at vi nu er i stand til at bruge aerografen til at starte små kontrollerbare og gentagelige eksplosioner, der ikke kræver en kemisk reaktion," siger Schütt og opsummerer deres resultater.

Det skyldes, at næsten lige så hurtigt som det varmes op, afkøles aerografen igen, så snart strømforsyningen afbrydes. "Den kan næsten ikke lagre varme på grund af dens ekstremt lave varmekapacitet. Via sin netværksstruktur frigiver den den meget hurtigt tilbage til den indeholdte luft," fortsætter Schütt. Den hurtige opvarmning og afkøling af materialet gør det muligt for forskerne at starte adskillige eksplosioner i sekundet, den ene efter den anden. "Dette giver os ekstremt kraftig trykluft ved et tryk på en knap, uden de kompressorer og gasforsyninger, der ellers kræves," forklarer Adelung.

Materialet har allerede modstået mere end 100.000 cyklusser – patentanmeldt

Forskerne bruger denne effekt til at udvikle nye pumper, der kan justeres specifikt, samt højtydende aktuatorer i miniatureformat. "Hvis man placerer flymaterialet i en trykcylinder og opvarmer det med elektricitet, kan den genererede luftblæsning bruges til at flytte objekter op og ned målrettet og flere gange i sekundet," forklarer Rasch, der for nylig har afsluttet sin doktorafhandling om dette emne. I deres eksperimenter kunne de to førsteforfattere, Schütt og Rasch, vise, at selv en lille mængde aerografen-objekter, der er mange gange tungere, kan flyttes. For eksempel var 10 milligram aerografen nok til at løfte en vægt på to kilo på få millisekunder. Så de aktuatorer, der er udviklet med aerographene, har høje effekttætheder, mens de bevarer store volumenændringer.

"I modsætning til kemiske reaktioner kan disse små elektriske eksplosioner styres meget specifikt og er også meget rene. Ved at ændre varigheden og styrken af ​​strømforsyningen kan vi præcist kontrollere frekvensen og styrken af ​​luftsprængningerne," siger Rasch. Takket være den ekstreme ledningsevne af aeromaterialer behøver de kun en lille mængde elektricitet til dette. I eksperimenterne udført i Kiel har materialet modstået 100.000 cyklusser indtil videre, og der er allerede indgivet patent.

Kan også bruges som et selvrensende luftfilter mod bakterier

Som et eksempel på applikationer er Adelungs forskergruppe i øjeblikket ved at udvikle nye luftfiltermaterialer og -systemer baseret på aerographene i samarbejde med den tyske luftfartsleverandør Lufthansa Technik og finansieret af Graphene Flagship. "Luftstrømme kan ledes meget godt gennem materialets åbne netværksstruktur og kan opvarmes kraftigt i kort tid. På denne måde kan bakterier og vira for eksempel filtreres ud af luften og dræbes," sagde Adelung. . "Dette kunne gøre det muligt for disse filtersystemer at fungere selvrensende og arbejde uden dyr vedligeholdelse i fremtiden." + Udforsk yderligere

Kunstigt fast tågemateriale skaber behageligt laserlys