Аэрогель из графена и углеродных нанорубок лишен недостатков своих предшественников

Рис. 1. A — кирпич массой 2,5 кг на аэрогеле массой 2 г. B — демонстрация теплоизолирующих свойств аэрогеля (цветок на куске аэрогеля, лежащем над пламенем горелки). C — аэрогель после тестового обстрела частицами на Земле в процессе подготовки миссии Stardust. Фотографии с сайтаstardust.jpl.nasa.gov

Сочетание графена и углеродных нанотрубок позволило получить углеродный аэрогель, лишенный недостатков аэрогелей только из графена или только из нанотрубок. Новый композитный материал из углерода помимо обычных для всех аэрогелей свойств — чрезвычайно низкой плотности, твердости и низкой теплопроводности — обладает также высокой эластичностью (способностью восстанавливать форму после многократных сжатий и растяжений) и прекрасной способностью абсорбировать органические жидкости. Это последнее свойство может найти применение для ликвидации разливов нефти.

По определению, гель — это один из видов коллоидных систем, представляющий собой взвесь жидких частиц в твёрдом теле. Твердого компонента в геле намного меньше по объему, чем жидкого, но он представлен частицами нанометрового размера, контактирующими друг с другом и образующими разветвленную сеть из цепочек и листов, непрерывно пронизывающую весь объем геля. Именно за счет этого гель сопротивляется текучести и является студенистым или даже упругим, а не жидким. Если жидкую фазу полностью заместить газообразной (например, воздухом), мы получим аэрогель. Твердая фаза занимает в нем меньше 15% объема — как правило, около 1% или даже меньше.

Обычно для приготовления аэрогелей используют два родственных метода. Первый из них — сверхкритическая сушка. Если просто высушить гель, отступающая жидкость будет стягивать сетку наночастиц, поэтому сушку нужно проводить при условиях, в которых нет поверхностного натяжения, то есть когда жидкость находится в сверхкритическом состоянии.

Представим себе, что мы нагреваем замкнутый сосуд с жидкостью и парами этой жидкости. Чем выше температура, тем больше жидкости будет испаряться, переходя в газовую фазу, и тем выше будет давление, а вместе с ним и плотность газовой фазы (фактически — количество испарившихся молекул). При определённых давлении и температуре, величина которых будет зависеть от того, что за вещество в сосуде, плотность молекул в жидкости окажется такой же, как в газовой фазе. Такое состояние жидкости и называют сверхкритическим. В этом состоянии нет различия между жидкой и газовой фазой, а поэтому нет и поверхностного натяжения.

Еще более легкие (менее плотные) аэрогели получаются методом химического осаждения вещества, которое будет выполнять роль твердой фазы аэрогеля, на ранее приготовленную пористую подложку, которую затем растворяют. Этот метод позволяет регулировать плотность твердой фазы (путем регулирования количества осаждаемого вещества) и ее структуру (путем использования подложки с необходимой структурой).

Благодаря своей структуре аэрогели обладают набором уникальных свойств. Хотя их прочность приближается к прочности твердых тел (рис. 1A), по плотности они близки к газам. Так, лучшие образцы кварцевого аэрогеля имеют плотность около 2 мг/см³ (плотность входящего в их состав воздуха — 1,2 мг/см³ ), что в тысячу раз меньше, чем у непористых твердых материалов.

Аэрогели обладают и крайне малой теплопроводностью (рис. 1B), поскольку теплу нужно пройти сложный путь по разветвленной сети из очень тонких цепочек наночастиц. При этом перенос тепла по воздушной фазе также затруднен из-за того, что эти же цепочки делают невозможной конвекцию, без которой теплопроводность воздуха очень низка.

Ещё одно свойство аэрогеля — его необычайная пористость — позволило доставить на Землю образцы межпланетной пыли (см. Сборщик звездной пыли возвращается домой, «Элементы», 14.01.2006) с помощью космического аппарата Stardust. Его устройство сбора представляло собой блок аэрогеля, попадая в который, частицы пыли останавливались с ускорением несколько миллиардов g, не разрушаясь (рис. 1C).

Главным недостатком аэрогеля до недавнего времени была его хрупкость: он растрескивался при повторных нагрузках. Все полученные на тот момент аэрогели — из кварца, некоторых оксидов металлов и углерода — обладали этим недостатком. Но с появлением новых углеродных материалов — графена и углеродных нанотрубок — проблема получения эластичных и устойчивых к разрушению аэрогелей была решена.

Графен — это лист толщиной в один атом, в котором атомы углерода образуют гексагональную решетку (каждая клетка решётки — шестиугольник), а углеродная нанотрубка — это такой же лист, свернутый в цилиндр толщиной от одного до десятков нанометров. Эти формы углерода обладают большой механической прочностью, эластичностью, очень высокой площадью внутренней поверхности, а так же высокой тепло- и электропроводностью.

Однако материалы, приготовленные отдельно из графена или отдельно из углеродных нанотрубок, тоже имеют свои недостатки. Так, аэрогель из графена плотностью 5,1 мг/см³ не разрушался под нагрузкой, превосходящей его собственный вес в 50 000 раз, и восстанавливал форму после сжатия на 80% от исходного размера. Однако из-за того, что графеновые листы обладают недостаточной жесткостью при изгибе, уменьшение их плотности ухудшает упругие свойства аэрогеля из графена.

Аэрогель из углеродных нанотрубок обладает другим недостатком: он более жесткий, но вообще не восстанавливает форму после снятия нагрузки, поскольку нанотрубки под нагрузкой необратимо изгибаются и перепутываются, а нагрузка плохо передается между ними.

Напомним, что деформация это изменение положения частиц физического тела друг относительно друга, а упругая деформация — это такая деформация, которая исчезает вместе с исчезновением силы, ее вызвавшей. «Степень» упругости тела (так называемый модуль упругости) определяется зависимостью механического напряжения, возникшего внутри образца при приложении деформирующей силы, от упругой деформации образца. Напряжение в данном случае — это сила, приложенная к образцу на единицу его площади. (Не путать с электрическим напряжением!)

Как продемонстрировала группа китайских ученых, эти недостатки полностью компенсируются, если использовать при приготовлении аэрогеля одновременно графен и нанотрубки. Авторы обсуждаемой статьи в Advanced Materials использовали водный раствор нанотрубок и оксида графена, вода из которого была удалена путем замораживания и сублимации льда — лиофилизации (см. также Freeze-drying), при которой также устраняются эффекты поверхностного натяжения, после чего оксид графена был химически восстановлен до графена. В получившейся структуре графеновые листы служили каркасом, а нанотрубки — ребрами жесткости на этих листах (рис. 2A, 2B). Как показали исследования под электронным микроскопом, графеновые листы перекрываются друг с другом и образуют трехмерный каркас с порами размером от десятков нанометров до десятков микрометров, а углеродные нанотрубки образуют перепутанную сеть и плотно прилегают к графеновым листам. По-видимому, это вызвано выталкиванием нанотрубок растущими ледяными кристалами при замораживании исходного раствора.

Рис. 2.  Вверху (A, B): микроструктура композитного аэрогеля из графена и нанотрубок при разных увеличениях. Внизу (C, D): образцы аэрогеля. Фотографии из обсуждаемой статьи в Advanced Materials

Плотность образца составила 1 мг/см³ без учета воздуха (рис. 2C, 2D). А согласно расчетам в представленной авторами структурной модели, минимальная плотность, при которой аэрогель из использованных исходных веществ еще сохранит целостность структуры, составляет 0,13 мг/см³, что почти в 10 раз меньше плотности воздуха! Авторы смогли приготовить композитный аэрогель с плотностью 0,45 мг/см³ и аэрогель только из графена плотностью 0,16 мг/см³, что меньше предыдущего рекорда, принадлежащего аэрогелю из ZnO, осажденному на субстрат из газовой фазы. Уменьшения плотности можно достичь, используя более широкие листы графена, но при этом снижается жесткость и прочность полученного материала.

При испытаниях образцы такого композитного аэрогеля сохраняли форму и микроструктуру после 1000 повторных сжатий на 50% от исходного размера. Сопротивляемость сжатию приблизительно пропорциональна плотности аэрогеля и во всех образцах постепенно возрастает с увеличением деформации (рис. 3A). В диапазоне от –190°С до 300°С упругие свойства полученных аэрогелей почти не зависят от температуры.

Рис. 3. Реакция образцов аэрогеля на повторные нагрузки и на растяжение. A — зависимость напряжения от деформации в испытаниях аэрогеля плотностью 1 мг/см3 на повторные нагрузки при сжатии (черная линия — первый цикл, красная — десятый, синяя — 1000-й). B — испытания образца аэрогеля плотностью 1,5 мг/см3 на растяжение. Обратите внимание, что напряжение на правом графике приведено в кПа, а на левом — в Па. При растяжении на 10% наблюдается в десятки раз большее напряжение, чем при таком же сжатии, что говорит о гораздо большей жесткости материала при растяжении. Рисунок из обсуждаемой статьи в Advanced Materials

Испытания на разрыв (рис. 3B) были проведены для образца с плотностью 1 мг/см³, и образец выдержал растяжение на 16,5%, что совершенно немыслимо для оксидных аэрогелей, которые при растяжении трескаются сразу. Кроме того, жёсткость при растяжении выше, чем при сжатии, то есть образец сминается легко, а растягивается с трудом.

Этот набор свойств авторы объяснили синергетическим взаимодействием графена и нанотрубок, при котором свойства компонентов взаимно дополняют друг друга. Углеродные нанотрубки, покрывающие графеновые листы, служат связью между соседними листами, которая улучшает передачу нагрузки между ними, а так же ребрами жесткости для самих листов. Благодаря этому нагрузка приводит не к движению листов друг относительно друга (как в аэрогеле из чистого графена), а к упругой деформации самих листов. А поскольку нанотрубки плотно прилегают к листам и их положение задается положением листов, они не испытывают необратимых деформаций и перепутывания и не движутся друг относительно друга под нагрузкой, как в неэластичном аэрогеле только из нанотрубок. Оптимальными свойствами обладает аэрогель, состоящий поровну из графена и нанотрубок, а с увеличением содержания нанотрубок они начинают образовывать «колтуны», как в аэрогеле только из нанотрубок, что приводит к потере эластичности.

Кроме описанных упругих свойств композитный углеродный аэрогель обладает и другими необычными свойствами. Он электропроводен, причем электропроводность обратимо меняется при упругой деформации. Кроме того, аэрогель из графена и углеродных нанотрубок отталкивает воду, но при этом прекрасно абсорбирует органические жидкости — 1,1 г толуола на воде было полностью абсорбировано куском аэрогеля весом 3,2 мг за 5 секунд (рис. 4). Это открывает прекрасные возможности для ликвидации разливов нефти и очищении воды от органических жидкостей: всего 3,5 кг такого аэрогеля могут абсорбировать тонну нефти, что в 10 раз больше, чем емкость коммерчески используемого абсорбента. При этом абсорбент из композитного аэрогеля регенерируем: благодаря его эластичности и термической стойкости абсорбированная жидкость может быть выдавлена, как из губки, а остаток просто выжжен или удален испарением. Испытания показали, что свойства сохраняются после 10 таких циклов.

Рис. 4. Абсорбция аэрогелем органических жидкостей (в данном случае — подкрашенного толуола). На каждой фотографии справа внизу отмечено время, прошедшее от момента контакта аэрогеля и жидкости. Рисунок из обсуждаемой статьи в Advanced Materials

Разнообразие форм углерода и уникальные свойства этих форм и материалов, полученных на их основе, продолжают удивлять исследователей, так что в будущем можно ожидать все новых и новых открытий в этой области. Сколько всего можно сделать только из одного химического элемента!

Источник: Haiyan Sun , Zhen Xu, Chao Gao. Multifunctional, Ultra-Flyweight, Synergistically Assembled Carbon Aerogels // Advanced Materials. 2013. V. 25. P. 2554–2560.

См. также:
Wencai Ren & Hui-ming Cheng. When two is better than one // Nature. 2013. V. 497. P. 448–449.

Иван Лаврёнов