Ку Хун Ким, Йонг Сек О и Моххамед Ф. Ислам из Университета Карнеги — Меллона (США) опубликовали в журнале Nature Nanotechnology отчёт, посвящённый использованию графенового покрытия для аэрогелей на основе углеродных нанотрубок.

Нормальный гель, напомним, состоит из жидкости, которой трёхмерный полимерный каркас сообщает механические свойства твёрдых тел — отсутствие текучести, способность сохранять форму, пластичность и упругость. А аэрогель — это такой гель, в котором жидкость после высушивания материала до критической температуры (испарения жидкости) заменяется газом. Результаты этой операции чрезвычайно интересны: плотность в 1,9 кг/м³, теплопроводность около 0,016–0,017 Вт/м•К при теплопроводности воздуха в 0,024 Вт/м•К. Если коротко, то

аэрогель чуть ли не лучший на сегодня из доступных человечеству теплоизолятор, применяемый из-за своих исключительных качеств даже в космосе (скафандры НАСА, теплоизоляция американских марсоходов).

Именно на его сантиметровый слой можно смело положить руку, даже если с другой стороны аэрогель подогревается бензиновой горелкой. Это материал с огромной удельной прочностью, выдерживающий нагрузку в 2 000 раз больше собственного веса; она намного выше, чем у железобетона или даже титановых сплавов, применявшихся в некоторых советских самолётах и подлодках.

Рис. 1. Вверху: кирпич весом в 2,5 кг на кусочке аэрогеля массой 2,38 г. Внизу: паяльная лампа, тонкий слой аэрогеля и защищаемые им спички. (Фото НАСА.)

Плохо лишь то, что из-за мизерного собственного веса аэрогели довольно легко трескаются под нагрузкой, с безвозвратной, увы, потерей целостности внутренней структуры. Это усложняет не только их применение, но и производство: обычная мехобработка к ним часто неприменима. Кроме того, аэрогели прочны, но неэластичны: при достижении деформационных нагрузок они сжимаются без последующего восстановления формы. Сильное нажатие на кусочек из аэрогеля вызовет его разрушение: он разобьётся, как стекло, издавая при этом сходный звук.

Аэрогели, как и гели, могут производиться из разных материалов. Самые перспективные создаются на основе углеродных нанотрубок длиной около 1 мкм. Чтобы преодолеть вышеописанные проблемы с неэластичностью, американские материаловеды наносили на образцы такого аэрогеля от одного до пяти слоёв графена.

Полученный материал легко перенёс до 1 000 000 циклов сжатия-восстановления без малейших следов изменения формы или объёма после удаления деформирующей нагрузки. По мнению исследователей, это объясняется тем, что графен в районе контакта с деформирующей нагрузкой не даёт полимерным цепочкам, составляющим каркас геля, свободно закручиваться при сжатии, что предотвращает разрушения и потерю структурной целостности. Материал действует подобно группе пружин, давление на которые (благодаря слою графена) распределяется равномерно.

Другим преимуществом аэрогеля с графеновым покрытием называется исчезновение хрупкости, столь свойственной обычным аэрогелям.

Рис. 2. Слева направо: новый аэрогель до и после сжатия. Для сравнения показан обычный аэрогель, после сжатия так и не восстановивший форму. (Иллюстрация Kim, et al).

Разумеется, пока трудно очертить все возможные области применения материала нового типа, который разработчики назвали SWCNT-аэрогелем (single-walled carbon nanotube). Однако характеристики у него впечатляющие: по удельной прочности он далеко опережает самые прочные металлы, сохраняет устойчивость в широком диапазоне температур и является отличным теплоизолятором, поскольку, несмотря на высокую теплопроводность составляющих его нанотрубок, 99% его объёма — это воздух.

Как минимум он пригодится в аэрокосмической индустрии, где уже сегодня аэрогели используются для теплоизоляции космических скафандров и планетоходов. Увеличение прочности, сохранение электропроводности, а также появление эластичности вполне могут сделать SWCNT не только теплоизолирующим, но и конструкционным материалом.