L’aerografite è una schiuma sintetica costituita da una rete porosa interconnessa di carbonio tubolare. Con una densità di 180 g / m3 è uno dei materiali strutturali più leggeri mai creati. È stato sviluppato congiuntamente da un gruppo di ricercatori dell’Università di Kiel e dall’università tecnica di Amburgo, in Germania, ed è stato segnalato per la prima volta in una rivista scientifica nel giugno 2012.

Struttura e proprietà
Aerografite è un materiale nero autoportante che può essere prodotto in varie forme occupando un volume di diversi centimetri cubici. Consiste in una rete interconnessa di tubi in carbonio che hanno un diametro in micron e uno spessore della parete di circa 15 nm. A causa della curvatura relativamente più bassa e dello spessore della parete più grande, queste pareti differiscono dai gusci di grafene dei nanotubi di carbonio e assomigliano al carbonio vetroso nelle loro proprietà. Queste pareti sono spesso discontinue e contengono aree rugose che migliorano le proprietà elastiche dell’aerografite. Il legame del carbonio nell’aerografite ha un carattere sp2, come confermato dalla spettroscopia di perdita di energia degli elettroni e dalle misure di conducibilità elettrica. A compressione esterna, la conduttività aumenta, insieme alla densità del materiale, da ~ 0,2 S / m a 0,18 mg / cm3 a 0,8 S / m a 0,2 mg / cm3. La conducibilità è maggiore per un materiale più denso, 37 S / m a 50 mg / cm3.

A causa della sua struttura di rete tubolare interconnessa, l’aerografite resiste alle forze di trazione molto meglio di altre schiume di carbonio e aerogel di silice. Sostiene ampie deformazioni elastiche e ha un rapporto di Poisson molto basso. È possibile un recupero completo della forma di un campione alto 3 mm dopo che è stato compresso fino a 0,1 mm. La sua resistenza a trazione (UTS) massima dipende dalla densità del materiale ed è di circa 160 kPa a 8,5 mg / cm3 e 1 kPa a 0,18 mg / cm3; in confronto, gli aerogel di silice più forti hanno un UTS di 16 kPa a 100 mg / cm3. Il modulo di Young è ca. 15 kPa a 0,2 mg / cm3 in tensione, ma è molto più basso in compressione, passando da 1 kPa a 0,2 mg / cm3 a 7 kPa a 15 mg / cm3. La densità data dagli autori è basata su una misurazione di massa e sulla determinazione del volume esterno delle schiume sintetiche come di solito avviene anche per altre strutture.

L’aerografite è superidrofobica, quindi i suoi campioni di dimensioni centimetriche respingono l’acqua; sono anche piuttosto sensibili agli effetti elettrostatici e saltano spontaneamente su oggetti carichi.

Sintesi

Aspetti comuni della sintesi:
Con il processo CVD dell’aerographite, gli ossidi metallici nel 2012 sono stati mostrati come un modello adatto per la deposizione di strutture grafitiche. I modelli possono essere rimossi in situ. Il meccanismo di base è la riduzione dell’ossido di metallo a un costituente metallico, la nucleazione di carbonio in e sopra il metallo e l’evaporazione simultanea del componente metallico. I requisiti per gli ossidi metallici sono: una bassa energia di attivazione per la riduzione chimica, una fase metallica, che può nucleazionare la grafite, un basso punto di evaporazione della fase metallica (ZnO, SnO). Dal punto di vista dell’ingegneria, il processo CVD sviluppato consente l’uso della polvere di ceramica (uso di particelle personalizzate e ponti di sinterizzazione) per la creazione di modelli per carbonio 3D tramite CVD. I principali vantaggi rispetto ai modelli di metallo comunemente usati sono: la varietà di forme delle forme di particelle, la creazione di ponti di sinterizzazione e la rimozione senza acidi. Originariamente dimostrato su reti di grafite mesh di dimensioni pari a μm, il meccanismo CVD era stato adottato dopo il 2014 da altri scienziati per creare strutture in carbonio di dimensioni nm.

Dettagli specifici per riferimento:
L’aerografite è prodotta mediante deposizione chimica in fase vapore, utilizzando un modello ZnO. Il modello è costituito da aste di spessore micron, spesso a forma di multipodi, che possono essere sintetizzate miscelando quantità comparabili di polveri Zn e polivinilbutirrale e riscaldando la miscela a 900 ° C. La sintesi dell’aerografite viene effettuata a ~ 760 ° C, sotto un flusso di gas argon, a cui vengono iniettati vapori di toluene come fonte di carbonio. Uno strato sottile (~ 15 nm) discontinuo di carbonio viene depositato su ZnO che viene poi rimosso via via aggiungendo gas idrogeno alla camera di reazione. Quindi la rete di carbonio rimanente segue da vicino la morfologia del modello ZnO originale. In particolare, i nodi della rete aerografite provengono dalle articolazioni dei multipod ZnO.

Potenziali applicazioni
Gli elettrodi di aerografite sono stati testati in un condensatore elettrico a doppio strato (EDLC, noto anche come supercondensatore) e hanno subito gli shock meccanici relativi ai cicli di carico-scarico e cristallizzazione dell’elettrolita (che si verifica all’evaporazione del solvente). La loro energia specifica di 1,25 Wh / kg è paragonabile a quella degli elettrodi di nanotubi di carbonio (~ 2,3 Wh / kg).