Китайские ученые создали прочный и упругий метаматериал из графенового аэрогеля. Спрессовав кирпичи из геля восстановленого оксида графена, исследователи получили материал, который выдержал сжимающее давление в 47 мегапаскалей, деформации больше 97 процентов, обладал высокой электрической проводимостью и устойчивостью к температурам до 750 градусов Цельсия.

Авторы статьи, опубликованной в Advanced Functional Materials, утверждают, что количество составляющих частей метаматериала не имеет верхнего предела и он может служить строительным материалом для масштабных сооружений.

Графен представляет собой слой решетки шестиугольников из атомов углерода. Особый интерес вещество представляет благодаря примечательным физическим свойствам, в том числе исключительной механической прочностью.

В 2012 году ученым удалось синтезировать графеновый аэрогель — трехмерную пористую структуру, в которой гексагональные плоскости непрерывно соединены ковалентными связями. Практическое применение аэрогелей ограничено, так как их плотность, от которой напрямую зависят механические свойства материала, очень низкая. Прессовка порошков из подобных структур приводит к деформациям графеновых листов, разрушению структуры и ухудшению упругости материала.

Лянти Цюй (Liangti Qu) и его коллеги из Пекинского технологического института нашли способ расширить применение графеновых аэрогелей — они создали и протестировали относительно крупные (десятки сантиметров) бруски из аэрогеля. На первом этапе синтеза исследователи интенсивно перемешивали оксид графена в воде, чтобы образовалась пена с большим количеством микропузырьков воздуха. Затем оксид графена восстановили и образовался гель с пузырьками до ста микрометров. Наконец, для формирования соединительных каналов, пронизывающих материал, авторы работы сначала заморозили, а затем расплавили гель.

Полученные кирпичи из геля соединяли друг с другом и прессовали. Благодаря капиллярным силам, которые стремились уменьшить зазоры между кирпичами и части конструкции надежно скреплялись. После того, как изделию дали высохнуть на воздухе, химики провели испытания механической прочности, проводимости и термической устойчивости метаматериала.

Сжатие графеновых материалов с анизотропной структурой, полученных обычными методами (вверху), схематиченое описание этапов получения аэрогеля и СЭМ-изображения структуры геля до (d) и после (f) сжатия. Hongsheng Yang Steptoe et al., / Advanced Functional Materials, 2019

Этапы создания «стены» из графенового аэрогеля и ее механические свойства. Hongsheng Yang Steptoe et al., / Advanced Functional Materials, 2019

Графеновые стены смогли выдержать сжимающее давление в 47 мегапаскалей, показали высокие величины упругости (больше 97 процентов), проводимости (378 сименс на метр) и устойчивости к температурам до 750 градусов Цельсия.

По словам авторов, из подобных блоков можно создавать крупные сооружения, устойчивые термически, химически и механически. Простая технология синтеза может оказаться полезной для создания других похожих материалов с улучшенными свойствами.