Теоретики запретили воздушные шары на графене

Физики из Массачусетского технологического института построили модель механической прочности пористых материалов на основе графена. В согласии с некоторыми предсказаниями, эти материалы могут иметь плотность меньше плотности воздуха, сохраняя при этом механическую прочность, достаточную для сдерживания атмосферного давления. Это позволило бы заменить ими гелий в воздушных шарах и дирижаблях. Тесты с 3D-печатными моделями графеновых листов и компьютерное моделирование показали, что в действительности это невозможно. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщает пресс-релиз института.

Самыми легкими из твердых материалов считаются всевозможные аэрогели — высокопористые субстанции, плотность которых (за вычетом массы воздуха) может быть меньше, чем у воздуха. Вместе с тем аэрогели очень хрупкие материалы и их легко разрушить. Традиционно их получают сверхкритической сушкой гидрогеля оксида кремния В 2013 году был синтезирован графеновый аэрогель — материаловедам удалось добиться плотности в шесть-семь раз меньше, чем у воздуха и даже проверить, насколько прочен материал. Оказалось, что он выдерживает нагрузки в несколько сот раз больше собственного веса. 

Графен — одноатомный слой из атомов углерода, выстроенных в шестиугольные секции. Он обладает исключительными механическими свойствами: при плотности в 4,6 процента от плотности стали он в 10 раз прочнее ее. Это позволяет надеяться, что возможно создание сверхпрочных и сверхлегких пористых материалов.

Авторы новой работы поставили перед собой задачу выяснить, как меняется прочность пористых графеновых материалов с изменением плотности. Для этого использовалось как компьютерное моделирование, так и 3D-печать структурных фрагментов и их испытания. За основу структуры был взят гироид — трижды периодичная минимальная поверхность. Эта фигура гарантирует минимальную плотность материала при заданной периодичности структуры. 

Физики подвергли испытаниям на сжатие 3D-печатные гироиды, имитирующие разную плотность графеновых структур. Результаты испытания согласовались с данными компьютерного моделирования. Это подтвердило теоретическую модель механических свойств пористого графена. Используя эту модель авторы попытались выяснить, может ли подобный материал быть одновременно легче воздуха и выдерживать внешнее давление в одну атмосферу. Первое условие требует плотности менее 1,16 миллиграмма в сантиметре кубическом, а второе, как оказалось, плотности более 28,7 миллиграмма в кубическом сантиметре. Таким образом, заполнить воздушный шарик графеновым аэрогелем с пустыми порами и тем самым отправить его в полет не получится — даже если плотность окажется подходящей, внешнее давление сомнет материал.

Авторы отмечают, что ключевым в механических свойствах материала является его геометрия. То есть графен в расчетах можно заменить любым другим двумерным материалом. В то же время, с практической точки зрения будет очень сложно получить гироидную структуру напрямую — по словам ученых, это может быть даже невозможным. Но реализовать похожие структуры можно с помощью темплатных синтезов. В таких процессах графен сначала наносится на шаблон (например, из круглых металлических частиц), а затем частицы удаляются. 

Помимо механических свойств графен привлекает физиков своей необычной электронной структурой и огромной подвижностью электронов. Благодаря этому параметру графеновая электроника может быть гораздо быстрее привычной, кремниевой. В прошлом году физики из США и Японии впервые экспериментально показали, что электроны в этом двумерном материале способны к отрицательному преломлению. 

Владимир Королёв