Το ελαφρύτερο υλικό στον κόσμο

Υλικά εξαιρετικά χαμηλής πυκνότητας (μικρότερης των 10mg/cm³) όπως τα αεροπηκτώματα σιλικόνης και νανοσωλήνων άνθρακα καθώς και οι πολυμερικοί και μεταλλικοί αφροί, εμφανίζουν μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον, αφού ήδη χρησιμοποιούνται σε πληθώρα εφαρμογών από μονώσεις σπιτιών έως εφαρμογές αεροναυπηγικής. Ένα χαρακτηριστικό των συμβατικών υλικών χαμηλής πυκνότητας, όπως αυτά που αναφέρθηκαν, είναι η μεγάλη τυχαιότητα που εμφανίζει η μοριακή τους δομή. Αυτό σημαίνει πως ενώ διατηρούν πλεονεκτήματα όπως μεγάλη ειδική επιφάνεια (επιφάνεια υλικού ανά μονάδα βάρους), υστερούν σε ακαμψία, μηχανική αντοχή, και αγωγιμότητα, σε σχέση με τα αντίστοιχα υλικών υψηλότερης πυκνότητας.

Η ανάγκη για νέα υλικά χαμηλής πυκνότητας τα οποία εμφανίζουν παράλληλα αξιόλογες μηχανικές ιδιότητες, οδήγησε τους ερευνητές των εργαστηρίων HRL, σε συνεργασία με επιστήμονες από τα πανεπιστήμια Caltech και UC Irvine, στην  ανάπτυξη ενός τέτοιου υλικού. Το εν λόγω υλικό μορφοποιήθηκε σε μορφή πλέγματος και είναι περίπου 100 φορές ελαφρύτερο από το φελιζόλ ενώ συγχρόνως επιδεικνύει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες (βλ. βίντεο). Έτσι, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε δομικές και αεροναυπηγικές εφαρμογές. Η εξαιρετικά μικρή πυκνότητά του, του επιτρέπει να μπορεί να σταθεί στο άνθος ενός φυτού χωρίς να το λυγίσει καν (βλ. εικόνα).

Η διαδικασία ανάπτυξης του υλικού περιλαμβάνει τα εξής στάδια. Αρχικά, ένα φωτοευαίσθητο υγρό εκτίθεται σε υπεριώδη ακτινοβολία και με τη βοήθεια μιας μάσκας μετατρέπεται σε ένα τρισδιάστατο πολυμερικό πλέγμα. Στη συνέχεια, ένα στρώμα Νικελίου – Φωσφόρου εναποτίθεται στο πολυμερικό πλέγμα και τέλος, ακολουθεί μια διαδικασία χάραξης. Αυτό που προκύπτει από την παραπάνω διαδικασία, είναι ένα υλικό μακροσκοπικών διαστάσεων το οποίο συνίσταται από κοίλους κυλίνδρους. Η πυκνότητα του υλικού (το οποίο θεωρείται μεταλλικό) είναι 9mg/cm³ ενώ τα αεροπυκτώματα σιλικόνης έχουν πυκνότητα 1mg/cm³.

Φωτογραφία  του ηλεκτρονικού μικροσκόπιου (σε νανοκλίμακα). Ο αερογραφίτης είναι εξαιρετικά πορώδης. (Tuhh, Karl Schulte/DPA/Press Association Images)

          Ωστόσο σε λιγότερο από ένα χρόνο από την παρουσίαση του υλικού αυτού, επιστήμονες από τα πανεπιστήμια του Αμβούργου και του Kiel, παρουσίασαν τον αερογραφίτη, ένα νέο ανθρακικό υλικό πυκνότητας μόλις 2mg/cm³. Αποτελείται από ένα δίκτυο νανοσωλήνων άνθρακα, είναι εξαιρετικά πορώδες, ενώ μακροσκοπικά, η όψη του θυμίσει μαύρο σφουγγάρι. Εκτός από την πολύ μικρή πυκνότητα, ο αερογραφίτης επιδυκνύει και εκπληκτικές ιδιότητες. Μπορεί για παράδειγμα, να υποστεί συμπίεση έως και 1.000 φορές και να επανέλθει στο αρχικό του σχήμα, αλλά και να αντέξει έως και 40.000 φορές το βάρος του. Παράλληλα ως υλικό είναι αγώγιμο, πράγμα που σημαίνει ότι μελλοντικά θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μπαταρίες και σε ηλεκτρονικές εφαρμογές.

Ο “αγώνας” για την κατασκευή του ελαφρύτερου υλικού στον κόσμο συνεχίζεται, καθώς περίπου 9 μήνες μετά τον αερογραφίτη, ερευνητές του τμήματος Polymer Science and Engineering του Zhejiang University (Κίνα) δημιούργησαν ένα νέο aerogel από γραφένιο πυκνότητας μόλις 0.16 mg/cm³. Για την σύνθεση του εντελώς νέου αυτού υλικού, χρησιμοποιήθηκε μια νέα μέθοδο freeze-drying διαλύματος νανοσωλήνων άνθρακα και γραφενίου, έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένα “σφουγγάρι” άνθρακα με δυνατότητα ρύθμισης του σχήματος και του μεγέθους ανάλογα με τη χρήση. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα υπερελαστικό και πανίσχυρο υλικό που επανέρχεται στο αρχικό σχήμα του μετά τη συμπίεση, με εξαιρετικές δυνατότητες απορρόφησης άλλων υλικών. Για παράδειγμα, ένα γραμμάριο aerogel γραφενίου μπορεί να απορροφήσει μέχρι 68.8 γραμμάρια πετρελαίου ανά δευτερόλεπτο, επομένως μια καλή χρήση θα ήταν για τον καθαρισμό πετρελαϊκών κηλίδων από τη θάλασσα. Επιπλέον, λόγω της ελαστικότητας του, μετά την απορρόφηση του πετρελαίου είναι εφικτή η ανακύκλωση τόσο του ίδιου του υλικού, όσο και του πετρελαίου.