Aerographite es una espuma sintética que consiste en una red porosa interconectada de carbono tubular. Con una densidad de 180 g / m3, es uno de los materiales estructurales más ligeros jamás creados. Fue desarrollado conjuntamente por un equipo de investigadores de la Universidad de Kiel y la Universidad Técnica de Hamburgo en Alemania, y se informó por primera vez en una revista científica en junio de 2012.

Estructura y propiedades
Aerographite es un material independiente negro que se puede producir en varias formas que ocupan un volumen de hasta varios centímetros cúbicos. Consiste en una red interconectada sin costura de tubos de carbono que tienen diámetros de escala micrométrica y un espesor de pared de aproximadamente 15 nm. Debido a la curvatura relativamente más baja y al mayor espesor de la pared, estas paredes difieren de las capas de grafeno de los nanotubos de carbono y se parecen al carbono vítreo en sus propiedades. Estas paredes a menudo son discontinuas y contienen áreas arrugadas que mejoran las propiedades elásticas del aerographite. El enlace de carbono en el aerographite tiene un carácter sp2, según lo confirmado por espectroscopía de pérdida de energía de electrones y mediciones de conductividad eléctrica. Tras la compresión externa, la conductividad aumenta, junto con la densidad del material, de ~ 0.2 S / m a 0.18 mg / cm3 a 0.8 S / m a 0.2 mg / cm3. La conductividad es más alta para un material más denso, 37 S / m a 50 mg / cm3.

Debido a su estructura de red tubular interconectada, el aerographite resiste las fuerzas de tracción mucho mejor que otras espumas de carbono así como los aerogeles de sílice. Mantiene extensas deformaciones elásticas y tiene una relación de Poisson muy baja. Es posible una recuperación completa de la forma de una muestra de 3 mm de altura después de que se comprimió hasta 0,1 mm. Su máxima resistencia a la tracción (UTS) depende de la densidad del material y es de aproximadamente 160 kPa a 8,5 mg / cm3 y 1 kPa a 0,18 mg / cm3; en comparación, los aerogeles de sílice más fuertes tienen un UTS de 16 kPa a 100 mg / cm3. El módulo de Young es ca. 15 kPa a 0.2 mg / cm3 en tensión, pero tiene una compresión mucho menor, aumentando de 1 kPa a 0.2 mg / cm3 a 7 kPa a 15 mg / cm3. La densidad dada por los autores se basa en una medición de la masa y en la determinación del volumen exterior de las espumas sintéticas como se realiza generalmente también para otras estructuras.

El aerografito es superhidrofóbico, por lo que sus muestras de un centímetro repelen el agua; también son bastante sensibles a los efectos electrostáticos y saltan espontáneamente a objetos cargados.

Síntesis

Aspectos comunes de la síntesis:
Con el proceso CVD del aerographite, se ha demostrado que los óxidos metálicos en 2012 son una plantilla adecuada para la deposición de estructuras grafíticas. Las plantillas se pueden quitar in situ. El mecanismo básico es la reducción del óxido metálico a un componente metálico, la nucleación del carbono en y sobre el metal y la evaporación simultánea del componente metálico. Los requisitos para los óxidos metálicos son: una baja energía de activación para la reducción química, una fase metálica, que puede nuclear el grafito, un bajo punto de evaporación de la fase metálica (ZnO, SnO). Desde la perspectiva de la ingeniería, el proceso CVD desarrollado permite el uso de procesamiento de polvo cerámico (uso de partículas personalizadas y puentes de sinterización) para la creación de plantillas para carbono 3D a través de CVD. Las ventajas clave en comparación con las plantillas de metal utilizadas comúnmente son: la variedad de formas de las formas de partículas, la creación de puentes de sinterización y la eliminación sin ácidos. Originalmente demostrado en redes de grafito de malla de solo µm, el mecanismo CVD fue adoptado después de 2014 por otros científicos para crear estructuras de carbono de tamaño nm.

Detalles específicos a la referencia:
Aerographite se produce por deposición química de vapor, utilizando una plantilla ZnO. La plantilla está formada por barras de micras de espesor, a menudo en forma de multipodos, que se pueden sintetizar mezclando cantidades comparables de polvos de Zn y polivinil butiral y calentando la mezcla a 900 ° C. La síntesis de aerographite se lleva a cabo a ~ 760 ° C, bajo un flujo de gas argón, en el que se inyectan vapores de tolueno como fuente de carbono. Una capa delgada (~ 15 nm) discontinua de carbono se deposita en ZnO que luego se graba mediante la adición de gas hidrógeno a la cámara de reacción. Por lo tanto, la red de carbono restante sigue de cerca la morfología de la plantilla ZnO original. En particular, los nodos de la red de aerographite se originan a partir de las uniones de los multipods ZnO.

Aplicaciones potenciales
Los electrodos de aerografita se han probado en un condensador eléctrico de doble capa (EDLC, también conocido como supercapacitor) y soportaron los choques mecánicos relacionados con los ciclos de carga-descarga y la cristalización del electrolito (que ocurre al evaporar el solvente). Su energía específica de 1,25 Wh / kg es comparable a la de los electrodos de nanotubos de carbono (~ 2,3 Wh / kg).