Будущее гибкой электроники: учёные создали графеновый аэрогель с невероятными свойствами
Очередное открытие, вдохновлённое природой. Правда, на этот раз речь идёт не о беспилотниках, в конструировании которых часто помогают насекомые и птицы, а о гибкой электронике.
Болотное растение под названием талия беловатая (Thalia dealbata) вдохновило исследователей на создание нового вида аэрогеля. Напомним, что к этому классу относятся материалы, представляющие собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность.
Из-за уникальных свойств использование аэрогелей становится всё шире: от улучшения работы топливных элементов до очистки воды и воздуха.
Для гибкой электроники и носимых датчиков аэрогели также представляются незаменимыми. Однако до недавних пор главной проблемой для учёных было соединение в одном материале таких качеств, как прочность и эластичность.
Команде под руководством Хао Бай (Hao Bai) из Чжэцзянского университета (Китай) удалось найти решение, и помогло им в этом болотное растение. Талия беловатая привлекла внимание исследователей тем, что способна противостоять даже очень сильным ветрам: её стебли невероятно гибкие и в то же время прочные.
Именно это и нужно было специалистам для создания нового материала, поэтому они попытались в лабораторных условиях воспроизвести структуру стебля растения. "Прочность и упругость обычно являются взаимоисключающими в обычных аэрогелях. На такие материалы существует огромный спрос во многих областях, но совместить оба свойства в одном материале крайне сложно", — объясняет Бай.
Сложно, но возможно, если использовать технологию двунаправленной заморозки. Сперва исследователи подвергли диспергированию в воде частицы оксида графена. Когда жидкость замерзала, образовывались листы, а после полного замораживания всех листов они вместе образовали трёхмерную сеть, похожую по структуре на кристаллы льда. Затем последовало термическое восстановление и сублимация, в результате на выходе эксперты получили аэрогель, по структуре напоминающий пористые стебли талии беловатой.
Получившийся материал в 7,5 раз легче воздуха и примерно в 1000 раз плотнее воды. Кстати, именно новый графеновый аэрогель теперь претендует на звание самого лёгкого твёрдого материала на Земле, отметили разработчики в интервью порталу ScienceAlert.
Материал уже прошёл серию тестов, которые показали: он способен выдерживать вес, в шесть тысяч раз превышающий его собственный. После тысячи сжимающих циклов аэрогель неизменно возвращался в исходное состояние и сохранил при этом 85% от своей первоначальной прочности (которую имел до применения компрессии). Для сравнения: большинство аэрогелей со стандартной структурой сохраняют 45% от их первоначальной прочности после десяти сжимающих циклов.
"Изучение природы всегда даёт идеи для разработки новых материалов и технологий. Аэрогель из графена отличается от современных аэрогелей как в микроструктурах, так и в свойствах", — заключает Бай.
Он и его коллеги уверены: уникальные свойства материала сделают его идеальным компонентом для гибкой электроники – сегодня это системы "умных" домов, панели солнечных батарей, изогнутые экраны телевизоров и гибкие телефоны, а также многое другое.
Статья с описанием нового аэрогеля опубликована в издании ACS Nano.
Кстати, ранее инженеры представили "сита" на основе оксида графена, которые помогут получить питьевую воду из морской.