Nejlehčí materiál  
Křemenný aerogel přišel o své prvenství. Kalifornští vědci vytvořili strukturu, jejíž centimetr krychlový může mít objemovou hmotnost menší než 1 miligram.

 

Zvětšit obrázek
Lehčí než pápěří. Kredit: Dan Little, HRL Laboratories LLC

V dnešním vydání časopisu Science osmičlenný tým amerických vědců ze tří kalifornských institucí představuje prý nejlehčí doposud vytvořený materiál. S objemovou hmotností jenom 0,9 miligramu na centimetr krychlový je stokrát lehčí než pěnový polystyren.
Přitom nejde o žádnou novou sloučeninu nebo kompozit, tajemství spočívá ve vnitřní mikrostruktuře tvořené lešením z dutých trubek nanometrových rozměrů. I když jsou jejich stěny z 93 % tvořené niklem a ze 7 % fosforem, lehkost zajišťuje vzdušnost materiálu. 99,99 % jeho objemu vyplňuje vzduch a jenom setinu procenta pevná látka.

Zvětšit obrázek
Květ na destičce z dosud nejlehčího materiálu - křemenného aerogelu, který nadnáší plamen Bunsenova kahanu. Aerogel má vynikající izolační vlastnosti a květ před spálením uchrání. Kredit: JPL Caltech/Stardust

 

Ultralehká kostra z niklových mikrotrubek má některé zajímavé vlastnosti – je do velké míry pružná. Když se stlačí až na polovinu objemu a tlak přestane působit, vrátí se téměř do původního stavu, přesněji nabude zpět 98 % původního objemu. Nelze to ale dosáhnout vždy, po několika opakovaných deformacích se jemné lešení začne postupně bortit, jednotlivé trubky praskají a lámou se. I tak je to vlastnost, kterou nemá ani polystyren, ani některé další ultralehké materiály, jakým je například křemenný aerogel tvořený z 99,98 % vzduchem a 0,2 % oxidem křemičitým (obr. vlevo). Je to vlastně zatuhlý skleněný "dým" a tedy jeho vnitřní struktura není tak dokonale pravidelná jako u nového materiálu. Proto si zkusme přiblížit, jak ho vědci vytvořili.


Na začátku využili známý postup, při němž z jednodušších molekul – v tomto případě z organické sloučeniny síry (thiolu) a nenasyceného uhlovodíku s dvojitou vazbou mezi atomy uhlíku (alkenu) – vzniká působením UV záření tuhá polymerní látka. Z ní vytvořili kostru pro budoucí niklové lešení. Přes matrici z křemenného skla pokrytého reflexní vrstvou (Cr nebo Ti), v níž byl vytvořen systém otvorů, tekutou směs obou látek osvětlovali třemi zdroji kolimovaného ultrafialového světla, tedy přímých, rovnoběžně usměrněných nerozbíhajících se paprsků. Tyto tři zdroje byly natočeny tak, aby dráhy jejich paprsků, které matricí procházely jenom přes otvory, se ve spodní směsi pravidelně křižovaly, čímž vytvářely hrany stejných šestistěnů.

Zvětšit obrázek
Schematické znázornění metody tvorby jemné kostry z thiol-enového polymeru pomocí ultrafialového světla. Tři zdroje kolimovaného UV záření svítí pod stejným, předem zvoleným úhlem na křemennou matrici, která UV světlo propouští jenom v místech otvorů v krycí reflexní vrstvě. K vytvoření polymeru (k vytvrzení) tedy dochází jenom v dráhách nerozbíhajících se paprsků, které prošly otvory. Vzniká pravidelná prostorová struktura z hran šestistěnů. Kredit: Alan J. Jacobsen et al., Acta Materialia 2008

Obrázek vpravo to srozumitelně znázorňuje. Protože jenom podél drah paprsků docházelo k polymerizaci, vznikla pravidelná pevná struktura z navzájem se protínajících vláken polymeru. Tuto kostru pak vědci pokryli velmi tenkou rovnoměrnou vrstvou niklu s příměsí fosforu metodou negalvanického, na chemických reakcích založeného pokovování. Podrobnosti tohoto procesu autoři popisují v doplňkových informacích, které jsou přístupně na stránce časopisu Science.

Zvětšit obrázek
Když se kostra z polymeru pokovuje jemnou (100 až 500 nm) vrstvičkou niklu a pak se polymer rozpustí, vzniká mikrostruktura z dutých trubek. Kredit: T. A. Schaedler et al., Science 2011

 

Pak celodenním koupáním v 60 °C teplé lázni hydroxidu sodného (louhu) ze struktury chemicky odstranili kostru z thiol-enového polymeru, takže zůstala jenom vrstvička kovu tvořící duté trubky sestavené do pravidelného lešení. To, že jeho nejjemnější a nejkřehčí verze, s tloušťkou stěny niklových trubek pouhých 100 nanometrů (= setina mikrometru), je tím nejlehčím materiálem nebo přesněji strukturou, ani není tak důležité. Zajímavější je spíše využití jednak metody pro různě modifikované variace možná i z jiných kovů, tak i výsledného produktu, jehož vnitřní struktura může mít jak nanometrové, tak i mikro a milimetrové rozměry. Samozřejmě, že v té nejkřehčí, téměř éterické formě má spíše sbírkovou, než užitkovou hodnotu. Méně subtilní verze této odlehčené vzdušné a do velké míry i pružné struktury mohou představovat zajímavý materiál pro absorpci kinetické energie. Například všude tam, kde je v jemnomechanických zařízeních potřeba tlumit nárazy případně vibrace a není vhodné použít těžší materiály nebo plasty.


Video: Nová ultralehká struktura dobře absorbuje kinetickou energii a i po 50% deformaci se dokáže vrátit do původního tvaru. Tato vlastnost ji předurčuje k využití jako tlumiče vibrací, nebo nárazů. Samozřejmě v jemnějších zařízeních, než je rozjetý automobil... nebo kdo ví...
Kliknutím na následující obrázek se otevře
stránka s videem, které tuto pružnost dokumemntuje. Kredit: T. A. Schaedler et al., Science 2011

 

 

 

Zdroje: Science, University of California, Irvine  

Datum: 18.11.2011 10:24
Tisk článku

Matematika 6 pro základní školy Geometrie Pracovní sešit - Boušková Jitka, Brzoňová Milena
 
 
cena původní: 79 Kč
cena: 70 Kč
Matematika 6 pro základní školy Geometrie Pracovní sešit
Boušková Jitka, Brzoňová Milena

Diskuze:

průhlednost až neviditelnost nevodivé struktury

Josef Hrncirik,2011-11-19 01:30:32

je-li potlačen vznik lomu a odrazu na rozhraních oblastí lišících se indexem lomu světla a řádově menším rozměrem těchto oblastí než je vlnová délka je potlačen rozptyl z indukovaného záření a nepravidelností struktury je potlačena interference, pak struktura by mohla být málo viditelná. Tyto 3 požadavky jsou ve vzájemném rozporu. Materiál s nízkým indexem lomu jako má vzduch, principielně nemůže mít rozumnou hustotu a mechanické vlastnosti. Sklo s antireflexními vrstvami je pro určité vlnové délky "prakticky" neviditelné, ale určitě ho vidíte.
Pod vhodnou kapalinou je prakticky neviditelné v širším spektru, ale delfín ho slyší.

Odpovědět

průhlednost až neviditelnost nevodivé struktury

Josef Hrncirik,2011-11-19 01:30:32

je-li potlačen vznik lomu a odrazu na rozhraních oblastí lišících se indexem lomu světla a řádově menším rozměrem těchto oblastí než je vlnová délka je potlačen rozptyl z indukovaného záření a nepravidelností struktury je potlačena interference, pak struktura by mohla být málo viditelná. Tyto 3 požadavky jsou ve vzájemném rozporu. Materiál s nízkým indexem lomu jako má vzduch, principielně nemůže mít rozumnou hustotu a mechanické vlastnosti. Sklo s antireflexními vrstvami je pro určité vlnové délky "prakticky" neviditelné, ale určitě ho vidíte.
Pod vhodnou kapalinou je prakticky neviditelné v širším spektru, ale delfín ho slyší.

Odpovědět

lehká struktura

Josef Hrncirik,2011-11-19 00:46:28

zajímavý je především podíl z modulu pružnosti nebo pevnosti a hustoty, porovnaný s těmi pro kompaktní materiál kostry. Zřejmě se nemají čím chlubit a proto není uveden. Asi by jim nepomohla ani kostra z W, SiC, C grafit nebo diamant, připravená metodou depozice z par na Ni. Asi mají dost peněz a nejsou tlačení do aplikací. Zajímavější by mohly být kovové či uhlíkové pěny nebo netkané či tkané a v uzlech volné či vázané struktury "textilie až kostry až pěny až sendviče"

Vsadil bych se, že květ na aerogelové desce bude rychle ugrilován a spálen IČ zářením.

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2011-11-19 00:55:51

Letos v lednu University of Central Florida se chlubila s aerogelem z uhlíkových nanotrubek. Objemová hmotnost: 4mg/cm3.
Také jde o pružný materiál. Vodivý a relativně odolný. Možná ještě zajímavější, než je zmíněný niklový.
Video viz:
http://www.nanoscience.ucf.edu/news/video-zhai.php
Nebyli ale první. V roce 2007 se s podobným materiálem chlubila Pennsylvánská univerzita:
http://www.sciencedaily.com/releases/2007/05/070524154616.htm

Odpovědět

Dovolil bych si nesouhlasit

Petr Botek,2011-11-18 18:22:40

křemenné sklo je obecně velmi dobře propustné pro UV záření. Nebude ta nepropustnost spíš dána uspořádáním pokusu a využitím jiných fyzikalních jevů?

Odpovědět


Vaše námitka se přijímá :)

Dagmar Gregorova,2011-11-19 00:47:23

Máte pravdu. Díky za připomínku. Autoři v článku i v doplňkových informacích při metodě tvorby polymerového lešení jenom odkazují na články pro mně nedostupné, z nichž se mi podařilo vydolovat jenom neúplné informace a obrázek, který jsem nepochopila zcela správně, protože matrice je v něm jenom jako "quartz" a ani v textu není zmíněná krycí vrstva s otvory. Takže jste mě motivoval k hledání, jak by to mohlo být. Jde (doufám, že se tentokráte nemýlím) o metodu vycházející z fotolitografie, kde se sodíkové, nebo křemenné sklo na matrici sice používá, ale právě proto, že je pro světlo (a u křemene i UV záření) propustné, umožňuje paprskům přecházet v místech vzorů "vyleptaných" do reflexní nepropustné vrstvy.

Takže ještě jednou děkuji a omlouvám se.

Odpovědět

Je nějaký aerogel průhledný?

Pavel Hudecek,2011-11-18 11:52:53

Něco takového by určitě velmi dobře tepelně izolovalo, kdyby se tím vyplnil prostor mezi skly okna. Když je to takové nic, tak by určitě některé formy mohly být dostatečně průhledné.

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2011-11-18 12:08:57

:)
nevím zcela určitě, ale obávám se že ne, asi by hmota pevného skeletu musela mít (vzhledem na to že jde v podstatě o "směs" se vzduchem) stejné optické vlastnosti jako ten vzduch, aby světlo "nerozeznalo" množství přechodů, nelámalo se a neodráželo. (Se sklem je to s jako vaječným bílkem - také je dost průhledné, ale když ho napěníte, získáte lehkou hmotu, která zneprůhlední.)

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni














Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace