Det så kallade aeromaterialet "aerographene" ser ut som ett svart skum, men består av 99,9 % luft och tål extremt höga belastningar. Kredit:Julia Siekmann, Uni Kiel
En internationell forskargrupp ledd av Kiel har utvecklat en ny metod för generering av kontrollerbara elektriska explosioner. Teoretiskt sett krävs det bara 450 gram av detta material för att lyfta en elefant:"Aerographene" har denna förmåga att tacka sin unika struktur på nanonivå. Visuellt liknar ett svart skum, det består faktiskt av ett fint strukturerat rörformigt nätverk baserat på grafen med många håligheter. Detta gör den extremt stabil, ledande och nästan lika lätt som luft. En internationell forskargrupp ledd av materialvetare från Kiel University (CAU) har nu tagit ett stort steg mot praktiska tillämpningar. De har lyckats upprepade gånger värma och kyla aerograph och luften inuti till mycket höga temperaturer på extremt kort tid. Detta möjliggör extremt kraftfulla pumpar, tryckluftstillämpningar eller sterilisering av luftfilter i miniatyr. Artikeln dök upp som omslagsartikel i det aktuella numret av den berömda vetenskapliga tidskriften Materials Today .
"När vi först introducerade dessa material var de den lättaste klassen av material i världen hittills, med en densitet på bara 0,2 milligram per kubikcentimeter. Eftersom det praktiskt taget är luft, kallade vi dem "flygmaterial"", minns Rainer Adelung. Professorn för funktionella nanomaterial vid CAU hade tagit fram materialen, som presenterades första gången 2012, tillsammans med kollegor från Hamburgs tekniska universitet. De fascinerande egenskaperna hos flygmaterial skapade ett världsomspännande intresse och har forskats intensivt sedan dess, till exempel i det stora europeiska forskningsinitiativet "Graphene Flagship."
Denna nya studie ger ett bidrag till hur flygmaterial kan ta sig från grundforskning till tillämpning. Materialforskarna från Kiel har tillsammans med kollegor från Technische Universität Dresden, Syddanmarks universitet, University of Trento, Queen Mary University of London, upptäckt ytterligare egenskaper som möjliggör innovationer inom pneumatik, robotteknik eller luftfilterteknik.
Modellen visar den inre filigranstrukturen, ett nätverk av grafenrör som gör aerografen så lätt och ledande. Kredit:Julia Siekmann, Uni Kiel
'Aerographene' kan värmas upp och kylas ner mycket snabbt
"I våra experiment har vi funnit att Aeromaterial gjorda av grafen och andra ledande nanomaterial, kan elektriskt värmas upp extremt snabbt med upp till flera hundra grader per millisekund på grund av deras låga densitet", förklarar Dr Fabian Schütt från CAU, som ledde och genomförde experimenten tillsammans med Dr Florian Rasch. För att göra det använde materialforskarna flygmaterialet "aerographene", som består av bara några lager av kolatomer och 99,9 % luft. Vid uppvärmning värms även denna luft som finns inuti materialet upp extremt snabbt och expanderar. Vid mycket snabb uppvärmning sker en expansion i volym och man talar om en "explosion". "Detta betyder att vi nu kan använda aerographene för att starta små kontrollerbara och repeterbara explosioner som inte kräver en kemisk reaktion", säger Schütt och sammanfattar sina resultat.
Det beror på att nästan lika snabbt som det värms upp kyls aerographene ner igen så fort strömförsörjningen stängs av. "Den kan knappast lagra någon värme på grund av sin extremt låga värmekapacitet. Via sin nätverksstruktur släpper den ut den mycket snabbt tillbaka till den innehållande luften", fortsätter Schütt. Den snabba uppvärmningen och kylningen av materialet gör det möjligt för forskarna att starta flera explosioner per sekund, en efter en. "Detta ger oss extremt kraftfull tryckluft med en knapptryckning, utan de kompressorer och gastillförsel som annars krävs," förklarar Adelung.
Materialet har redan klarat mer än 100 000 cykler – patentsökt
Som ett forskarlag under ledning av materialvetare från CAU nu har upptäckt räcker det med några milligram aerografen (längst ner på tryckcylindern på bilden) till exempel för att lyfta en vikt på 2 kilogram - med en luftstöt genereras när materialet värms upp. Kredit:Florian Rasch
Forskarna använder denna effekt för att utveckla nya pumpar som kan justeras specifikt samt högpresterande ställdon i miniatyrformat. "Om du placerar flygmaterialet i en tryckcylinder och värmer det med elektricitet, kan den genererade luftblåsningen användas för att flytta föremål upp och ner på ett riktat sätt och flera gånger per sekund", förklarar Rasch, som nyligen avslutade sin doktorsavhandling om det här ämnet. I sina experiment kunde de två första författarna, Schütt och Rasch, visa att även en liten mängd aerografenföremål som är många gånger tyngre kan flyttas. Till exempel räckte 10 milligram aerografen för att lyfta en två kilos vikt på bara några millisekunder. Så de ställdon som utvecklats med aerographene har höga effekttätheter samtidigt som de behåller stora volymförändringar.
"Till skillnad från kemiska reaktioner kan dessa små elektriska explosioner kontrolleras mycket specifikt och är också mycket rena. Genom att ändra varaktigheten och styrkan på strömtillförseln kan vi exakt kontrollera frekvensen och styrkan av luftblåsningarna", säger Rasch. Tack vare flygmaterialens extrema ledningsförmåga behöver de bara en liten mängd elektricitet för detta. I de experiment som utfördes i Kiel har materialet stått emot 100 000 cykler hittills och ett patent har redan lämnats in.
Kan även användas som ett självrengörande luftfilter mot bakterier
Som ett exempel på applikationer utvecklar Adelungs forskargrupp för närvarande nya luftfiltermaterial och system baserade på aerographene i samarbete med den tyska flygleverantören Lufthansa Technik och finansierat av Graphene Flagship. "Luftströmmar kan ledas mycket väl genom materialets öppna nätverksstruktur och kan värmas upp kraftigt under en kort tid. På så sätt kan till exempel bakterier och virus filtreras ut ur luften och dödas", säger Adelung. . "Detta kan göra det möjligt för dessa filtersystem att fungera självrengörande och fungera utan dyrt underhåll i framtiden." + Utforska vidare
