Графен и керамику объединили в легкий и прочный нанокомпозит

Ученые из США и Китая получили из многослойного графена и оксида алюминия крайне легкий композит, обладающий при этом высокой прочностью, электропроводностью и низкой теплопроводностью. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Многие материалы обладают высокими характеристиками в одной области, но при этом имеют недостатки в других. К примеру, промышленная керамика известна своей прочностью, но также она имеет большую плотность и хрупкость. Для того, чтобы получать материалы с желаемыми свойствами, ученые разрабатывают композиты, объединяющие сразу несколько материалов с разным набором качеств.

Исследователи решили использовать такой же подход, и нивелировать недостатки керамики на основе оксида алюминия с помощью графена. Их идея основывалась на данных о том, что включения графена улучшают механические свойства хрупких материалов, а уменьшение размера зерна значительно повышает прочность керамики. Сначала они создали графеновый аэрогель с напоминающей соты структурой. Стоит отметить, что в данном случае под графеном ученые подразумевают не одноатомный слой из атомов углерода, а множество слоев. Затем с помощью атомно-слоевого осаждения на графеновую структуру наносился небольшой слой керамики толщиной около десяти нанометров.

В итоге исследователи получили композит с довольно необычным набором свойств. Он имеет крайне низкую плотность — порядка десятков миллиграмм на кубический сантиметр в зависимости от толщины керамического слоя и других параметров. Для сравнения ученые утверждают, что материал получился легче, чем перо. Также композит обладает высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью, что делает его привлекательным для теплоизоляции или защиты от огня. Исследователи продемонстрировали это, держа кусок материала над горелкой:

Помимо этого ученые протестировали механические свойства, и выяснилось, что он обладает высокой прочностью и сжимаемостью. Исследователи признают, что пока не до конца понимают механизм улучшения свойств, и в дальнейших работах будут работать как над этим, так и над масштабированием технологии для промышленного производства.

Недавно исследователи из MIT создали композит с необычными свойствами с помощью обычного 3D-принтера. За счет того, что ученые придали ему структуру, напоминающее строение морских раковин, композит получился гораздо устойчивее к ударам, чем исходные материалы.

Григорий Копиев