Sajtóközlemény Az utazás a cél
Fotó: CAU/Claudia Eulitz
"Jubilation" - sietett Matthias Mecklenburg Karl Schulte professzorhoz. Eufóriájának oka: A fiatal tudós éppen mikroszkóp alatt fedezett fel változást a vizsgált anyagban, amely úttörő ötletet adott a hamburgi Állami Kiválósági Klaszter "Integrált Anyagrendszerek" doktoranduszának. Ez egy 2010. szeptemberi napon volt. Ezen a héten a doktorandusz és doktori témavezetője, Karl Schulte professzor, valamint a Rainer Adelung professzor által vezetett tudóscsoport munkatársaival a Kieli Christian Albrechts Egyetemen (CAU) rendelkeznek a világ legkönnyebb anyagával Bemutatták a világot: az "aerographit" -t. A hamburgi és kieli tudósok szenzációs kutatási eredményei a "Advanced Materials" szakfolyóirat (július 3.) címlaptörténete, és azóta országos hírekbe kerültek a médiában. Az aerografit hasznos lehet elektromos autókhoz és e-kerékpárokhoz, valamint repülési és műholdas elektronikában, valamint víztisztításban is használható.
Véletlenszerűség vagy célzott keresés eredménye? "Háromdimenziós hálózatba kapcsolt szénszerkezeteket kerestünk, és ekkor fedeztük fel ezt az anyagot" - mondja Schulte. A neves anyagkutató azon tudósok csoportjába tartozik, akik az innovatív anyagokkal kapcsolatos alapkutatásokat is végeznek a "Customized multi-scale material systems" együttműködésen alapuló kutatási területen, amelyet a Német Kutatási Alapítvány jóváhagyott a TUHH-nál májusban.
"Fejlesztésünk élénk vitákat indít el tudományos körökben. Az aerografit több mint négyszer könnyebb, mint az előző világrekord tulajdonos" - mondja Matthias Mecklenburg fiatal tudós. Ez a hat hónappal ezelőtt bemutatott és a jelenlegi kiadásig legkönnyebb anyagnak számító nikkel anyag szintén egy apró csőrendszerből állt. A nikkelnek azonban eleve nagyobb az atomtömege. "Készíthetünk olyan porózus falakból álló csöveket is, amelyek ezért rendkívül könnyűek" - teszi hozzá Arnim Schuchardt, a CAU társszerzője és doktorandusa. A kieli elemzők, Lorenz Kienle professzor és dr. Andriy Lotnyk a transzmissziós elektronmikroszkóppal megfejtve.
"Úgy gondolhat az aerografitra, mint egy gyorsan növekvő borostyánhálózatra, amely egy fa körül kanyarog, eltávolítva magát a fát" - mondja Adelung a gyártási folyamatot. A fa egy úgynevezett áldozati sablon, vagyis a cél elérésének eszköze. A CAU csapata, amelynek tagjai Arnim Schuchardt, Rainer Adelung, Yogendra Mishra és Sören Kaps, porított cink-oxidot használtak a sablon előállításához. Ezt úgy hozták kristályos formába, hogy kemencében 900 Celsius fokon melegítették. A további feldolgozás során a kieli anyagtudósok egyfajta tablettát állítanak elő. Ebben a kész cink-oxid mikro- és nanostruktúrákat képez, amelyeket tetrapodáknak nevezünk (lásd például a 4. ábrát), amelyek behatolnak egymásba, és így az egyes részecskéket szilárdan összekapcsolják a porózus tabletta kialakításával. A tetrapodok az a hálózat, amely alapján az aerographit létrejön.
Matthias Mecklenburg, Yogendra Kumar Mishra, Arnim Schurchardt, Lorenz Kienle, Karl Schulte, Sören Kaps, Rainer Adelung. (nincs a képen: társszerző Andriy Lotnyk).
Fotó: CAU/Claudia Eulitz
A következő lépésben a pellet alakú anyagot a reaktorba helyezzük 760 Celsius-fokon, hogy a TUHH-nál vegyszergőz-lerakódást végezzünk. "Egy áramló, szénnel dúsított gázfázisban a cink-oxid csak néhány atomréteg vastag grafitrétegbe van burkolva, amely képezi az aerografit hálózatos szerkezetét. Az egyidejűleg szállított hidrogén reagál a cink-oxid oxigénjével. A vízgőz és a cink gázként távozik." Schulte. Marad a tipikusan térhálós és csöves szénszerkezet. A TUHH fiatal tudósa, Mecklenburg: "Minél gyorsabban juttatjuk ki a cinket a folyamatunk során, annál lyukasabbak a csövek falai és annál könnyebb lesz az anyag. Még mindig sok mozgástér van." Kieli kollégája, Schuchardt hozzáteszi: "Az a szép, hogy kifejezetten befolyásolni tudjuk az aerographit tulajdonságait: Folyamatosan koordináljuk a sablon alakját itt Kielben és a lerakódási folyamatot Hamburgban."
Az aerographit különleges anyagtulajdonságainak köszönhetően ideálisan alkalmazható például Li-ion akkumulátorokban. Ez azt jelenti, hogy csak minimális mennyiségű elem-elektrolitot kell használni, ami az elemek súlyának jelentős csökkenéséhez vezethet. A szerzők ezt a felhasználást már a nemrégiben megjelent kiadványban ismertették. Ezeket a kisebb akkumulátorokat elektromos autókban vagy e-kerékpárokban lehet használni. Az anyag így hozzájárul többek között a környezetbarát közlekedési eszközök fejlesztéséhez.
A tudósok további alkalmazásokat látnak az aerographit használatával a nem vezető műanyagok elektromosan vezetővé tételére anélkül, hogy súlyuk növekedne. Ezzel elkerülhetőek a mindennapi életben gyakori statikus töltések.
A jelenleg a világ legkönnyebb anyagával kapcsolatos további alkalmazások számát csak a tudósok fantáziája korlátozza. Amint az aerografit ismertté vált, a különféle osztályok kollégái között is szikrázóak voltak az ötletek. Megfontolják a repülésben és a műholdas elektronikában való felhasználást, mivel ezeknek ellen kell állniuk a különösen magas rezgéseket. Az anyag a víztisztításban is nagy potenciállal rendelkezik. A perzisztens vízszennyező anyagok szorbenseként elektrokémiai úton oxidálódhat, azaz lebomolhat, és így lebonthatja azokat. Az aerografit, a mechanikai stabilitás, az elektromos vezetőképesség és a nagy felület előnyei játszanak szerepet. Ezek az előnyök hasznosak az inkubátorok vagy a szellőzők külső levegőjének lehetséges tisztításában is.
Az alapkutatás jelenleg még folyamatban van. Tíz-30 évbe telhet, mire felhasználhatók lesznek az ipari termelésben.
További információ:
Eredeti kiadvány: "Aerografit: Rendkívül könnyű, rugalmas nanofalú, kiemelkedő mechanikai teljesítménnyel rendelkező szén-dioxid-mikrocső anyag"; DOI: 10.1002/adma.201200491
Illusztrációk és egyéb anyagok letölthetőek:
Felirat: Az ábra egy elektronmikroszkópos metszetet mutat be a világ legkönnyebb anyagából: az aerographitból. A nyitott széntartalmú csövek finom hálózatot képeznek, és így alacsony sűrűségűek, akár 0,2 milligramm/köbcentiméter.
Felirat: A reaktorban 760 Celsius fok feletti hőmérsékleten gáznemű cink és vízgőz távozik. A képen: A cink-oxid továbbra is látható a sötét területeken. Marad a grafit héj (világos területek).
Felirat: A létrehozási folyamat során az úgynevezett áldozati sablont, a kristályos cink-oxidot (itt világos fehéret) hidrogén bontja. Vízgőz és cink távozik. Az aerographit csövei megmaradnak.
Felirat: A cink-oxid tetrapodái ideális alapot jelentenek a robusztus anyagú aerographit számára.
Felirat: A majdnem kész aerographit: Lenyűgöző szerkezetek, hihetetlen potenciállal, például az elemek gyártása során.
Felirat: Az Aerographite víztaszító, a fekete színnél feketébb (jelenleg vizsgálják) és elektromosan vezető.
Felirat: Az aerografit 95% -ig összenyomható, majd újra széthúzható. Más anyagokkal ellentétben ez még merevebbé teszi (átmérője kilenc milliméter).
Felirat: Az aerographit nagyon kicsi tömege nagyon gyors irányváltoztatást tesz lehetővé. Először feláll, majd a műanyag rúdra ugrik, majd vissza az asztalra: az Aerographit így veszi fel a rudról a töltetet, és továbbítja az asztalra.
Az aerographit bemutatójáról további fotókat a sajtótájékoztató után teszünk elérhetővé.