Aerografeno

El aerografeno o aerogel de grafeno es el sólido menos denso conocido, con 160 g/m³ ⁽ 0,0100 lb/pie³ ; 0,16 mg/cm³ ^; 4,3 oz/yd³ ⁾ . [ ^{1 ] Se} informa que el material puede producirse a escala de metros cúbicos. ^{[ 2 ] [ 3 ]}     

El aerografeno fue descubierto en 2013 ^{[ 4 ]} en la Universidad de Zhejiang por un equipo de científicos liderado por Gao Chao. ^{[ 1 ]} Él y su equipo ya habían creado con éxito materiales macroscópicos hechos de grafeno . Estos materiales eran unidimensionales y bidimensionales . Sin embargo, al sintetizar aerografeno, los científicos crearon una estructura tridimensional . La síntesis se logró mediante la liofilización de soluciones de nanotubos de carbono ^{[ 5 ]} y grandes cantidades de óxido de grafeno . El oxígeno residual se eliminó químicamente.

Los aerogeles de grafeno son materiales sintéticos que presentan alta porosidad y baja densidad. Las síntesis típicas de aerogeles de grafeno implican la reducción de una solución precursora de óxido de grafeno para formar un hidrogel de grafeno. El disolvente se puede eliminar posteriormente de los poros mediante liofilización y su sustitución por aire. ^{[ 6 ]} La estructura resultante consiste en una red de láminas de grafeno unidas covalentemente que rodean grandes bolsas de aire, lo que da como resultado densidades del orden de 3  mg cm ⁻³ . ^{[ 7 ]}

También se ha demostrado que las morfologías de los aerogeles de grafeno se pueden controlar mediante métodos de impresión 3D . La tinta de óxido de grafeno se compone de óxido de grafeno gelificado en una solución viscosa con la adición de sílice para reducir la viscosidad y permitir la impresión de la tinta de óxido de grafeno. La tinta se extruye a través de una boquilla en isooctano, lo que evita que se seque demasiado rápido. Posteriormente, el disolvente se puede eliminar mediante liofilización, mientras que la sílice se puede eliminar con una solución de ácido fluorhídrico . La red 3D resultante puede ser altamente ordenada, manteniendo las grandes áreas superficiales y las bajas densidades características de los aerogeles de grafeno. ^{[ 7 ]}

Los aerogeles de grafeno exhiben propiedades mecánicas mejoradas como resultado de su estructura y morfología. Los aerogeles de grafeno tienen un módulo de Young del orden de 50 MPa. ^{[ 8 ]} Pueden comprimirse elásticamente hasta valores de deformación >50%. ^{[ 7 ]} La rigidez y compresibilidad de los aerogeles de grafeno pueden atribuirse en parte al fuerte enlace sp ₂ del grafeno y a la interacción π-π entre las láminas de carbono. En los aerogeles de grafeno, la interacción π-π puede aumentar considerablemente la rigidez debido a las regiones altamente curvadas y plegadas del grafeno, como se observa en imágenes de microscopía electrónica de transmisión . ^{[ 6 ]}

Se ha demostrado que las propiedades mecánicas del aerogel de grafeno dependen de la microestructura y, por lo tanto, varían entre estudios. El papel que desempeña la microestructura en las propiedades mecánicas depende de varios factores. Las simulaciones computacionales muestran que las paredes de grafeno se doblan cuando se aplica una tensión de tracción o compresión. ^{[ 9 ] [ 10 ]} La distribución de tensión resultante de la flexión de las paredes de grafeno es isotrópica y puede contribuir a la alta tensión de fluencia observada. La densidad del aerogel también puede afectar significativamente las propiedades observadas. Se muestra computacionalmente que el módulo de Young normalizado sigue una distribución de ley de potencia regida por la ecuación E / E _s = ( ρ / ρ _s ) ^m , donde E es el módulo de Young.

De manera similar, la resistencia a la compresión que describe la tensión de fluencia antes de la deformación plástica bajo compresión en aerogeles de grafeno sigue una distribución de ley de potencias: σ _y / E _s = ( ρ / ρ _s ) ⁿ , donde σ _y es la resistencia a la compresión, ρ es la densidad del aerogel de grafeno, E _s es el módulo del grafeno, ρ _s es la densidad del grafeno y n es el factor de escala de la ley de potencias que describe el sistema de manera diferente al exponente observado en el módulo. La dependencia de ley de potencias observada concuerda con las tendencias entre la densidad y el módulo y la resistencia a la compresión observadas en estudios experimentales sobre aerogeles de grafeno. ^{[ 9 ]}

Se ha demostrado, tanto computacional como experimentalmente, que la estructura geométrica macroscópica del aerogel afecta a las propiedades mecánicas observadas. Las estructuras periódicas hexagonales de aerogel de grafeno impresas en 3D exhibieron un módulo de elasticidad un orden de magnitud mayor que el de los aerogeles de grafeno a granel de la misma densidad cuando la fuerza se aplica a lo largo del eje vertical. La dependencia de la rigidez con la estructura se observa comúnmente en otras estructuras celulares. ^{[ 8 ]}

Debido a su alta porosidad y baja densidad, el aerogel de grafeno se ha explorado como un posible sustituto en globos aerostáticos. ^{[ 9 ]} El alto grado de compresibilidad recuperable y la rigidez general de la estructura se han utilizado en estudios de esponjas de grafeno capaces de retener 1000 veces su peso en líquido, recuperando todo el líquido absorbido sin daños estructurales a la esponja debido a la elasticidad de la estructura de grafeno. Esto tiene implicaciones ambientales, contribuyendo potencialmente a la limpieza de derrames de petróleo en alta mar. ^{[ 11 ] [ 12 ]} También se puede utilizar para recoger polvo de las colas de los cometas . ^{[ 1 ]}

• Aerogel
• Aerografito
• espuma de grafeno
• Microestructura metálica
• gel de helio