エアログラファイト

「閉殻グラファイト」エアログラファイトの内部構造（SEM画像）

エアログラファイトは、管状炭素の多孔質相互接続ネットワークからなる合成フォームです。密度は180 g/m ^{3で、これまでに作られた中で最も軽量な構造材料の一つです。ドイツの}キール大学とハンブルク工科大学の研究チームによって共同開発され、2012年6月に科学誌で初めて報告されました。

構造と特性

エアログラファイトは、最大数立方センチメートルの体積を占めるさまざまな形状で製造できる黒色の自立型材料です。ミクロン スケールの直径と約 15  nmの壁厚を持つカーボン チューブのシームレスな相互接続ネットワークで構成されています。 比較的低い曲率とより大きな壁厚のため、これらの壁はカーボン ナノチューブのグラフェンのような殻とは異なり、特性がガラス質炭素に似ています。 これらの壁は不連続であることが多く、エアログラファイトの弾性を向上させるしわのある領域が含まれています。 エアログラファイトの炭素結合はsp ²特性を持ち、電子エネルギー損失分光法と電気伝導率測定によって確認されています。 外部圧縮により、材料の密度とともに伝導率は 0.18 mg/cm ^{3で約 0.2 S/m から 0.2 mg/cm 3}で 0.8 S/m に増加します。 より密度の高い材料では伝導率はより高くなり、50 mg/cm ³で 37 S/m になります。^[1]

相互につながった管状のネットワーク構造のため、エアログラファイトはシリカ エアロゲルだけでなく他の炭素フォームよりも引張力に非常によく耐えます。 広範囲の弾性変形に耐え、非常に低いポアソン比を備えています。 高さ 3 mm のサンプルを 0.1 mm まで圧縮した後、完全に形状を復元することが可能です。極限引張強度(UTS) は材料の密度によって決まり、8.5 mg/cm ³で約 160 kPa 、0.18 mg/cm ³で 1 kPaです。比較すると、最も強力なシリカエアロゲルの UTS は 100 mg/cm ³で 16 kPa です。ヤング率は引張では 0.2 mg/cm ³で約 15 kPa ですが、圧縮では大幅に低くなり、0.2 mg/cm ^{3での 1 kPa から 15 mg/cm 3}での 7 kPa に増加します。^[1]著者らが示した密度は、他の構造物でも通常行われるように、合成フォームの質量測定と外寸測定に基づいています。

エアログラファイトは超疎水性であるため、数センチメートルの大きさのサンプルは水をはじきます。また、静電気の影響に非常に敏感で、帯電した物体に自発的に飛びつきます。^[1]

合成

さまざまな直径、ネットワーク密度、トポロジーを持つ同様の ZnO マルチポッド形状テンプレートが、エアログラファイトの堆積に使用されます。

合成の共通点： 2012年に
、エアログラファイトの化学蒸着（CVD）プロセスにより、金属酸化物がグラファイト構造の蒸着に適したテンプレートであることが示されました。テンプレートは、その場で除去できます。基本的なメカニズムは、金属酸化物の金属成分への還元、金属内および金属上での炭素の核生成、および金属成分の同時蒸発です。金属酸化物に対する要件は、化学還元の活性化エネルギーが低いこと、グラファイトの核を生成できる金属相、金属相（ZnO、SnO）の蒸発点が低いことです。エンジニアリングの観点から、開発されたCVDプロセスでは、CVDによる3Dカーボンのテンプレートの作成にセラミック粉末処理（カスタム粒子と焼結ブリッジの使用）を使用できます。一般的に使用される金属テンプレートと比較した主な利点は、粒子形状の多様性、焼結ブリッジの作成、および酸なしでの除去です。もともとわずか μm サイズのメッシュ状グラファイト ネットワークで実証されていたが、CVD メカニズムは 2014 年以降、他の科学者によって nm サイズの炭素構造を作成するために採用された。^{[2] [3]}

参考文献に固有の詳細：^[1]
エアログラファイトは、 ZnOテンプレートを使用して化学蒸着法で製造される。テンプレートは、多くの場合マルチポッドの形状をしたμm 厚のロッドで構成され、同量の Zn およびポリビニルブチラール粉末を混合し、混合物を 900 °C で加熱することで合成できる。エアログラファイトの合成は、炭素源としてトルエン蒸気を注入したアルゴン ガス流下で約 760 °C で行われる。薄い (約 15 nm) 不連続な炭素層が ZnO 上に堆積され、次に反応チャンバーに水素ガスを追加することでこの層がエッチング除去される。そのため、残った炭素ネットワークは元の ZnO テンプレートの形態に厳密に従う。特に、エアログラファイトネットワークのノードは、ZnOマルチポッドのジョイントから発生します。^[1]

潜在的な用途

エアログラファイト電極は電気二重層コンデンサ（EDLC、スーパーキャパシタとも呼ばれる）において試験され、負荷・除荷サイクルに伴う機械的衝撃や電解質の結晶化（溶媒の蒸発時に発生）に耐えることが確認された。その比エネルギーは1.25  Wh/kgであり、カーボンナノチューブ電極（約2.3 Wh/kg）に匹敵する。^[1]

宇宙旅行

エアログラファイトは黒くて軽いため、光帆の材料として提案されました。^[4]シミュレーションでは、エアログラファイトソーラーセイルを搭載した1kgの宇宙船は26日で火星に到達できることが示されています。^[5]

これとは別に、パーカー太陽探査機が到達した太陽高度から1μmの粒子を放出するという提案がありました。太陽風によって粒子は光速の2%以上、つまり秒速6000kmまで加速されます。この粒子を一定量放出することで、プラズマ磁気推進システムによってペイロードを光速の6%、つまり秒速18000kmまで加速することが可能です。^[6]

参照

• エアロゲル
• グラフェン
• 金属マイクロ格子

参考文献

1. Mecklenburg, Matthias; Schuchardt, Arnim; Mishra, Yogendra Kumar; Kaps, Sören; Adelung, Rainer; Lotnyk, Andriy; Kienle, Lorenz; Schulte, Karl (2012). 「エアログラファイト：卓越した機械性能を備えた超軽量、フレキシブルナノウォール、カーボンマイクロチューブ材料」Advanced Materials . 24 (26): 3486– 90. Bibcode :2012AdM....24.3486M. doi :10.1002/adma.201200491. PMID  22688858. S2CID  2787227.
2. Phokharatkul, D.; Wisitsoraa, A.; Lomas, T.; Tuantranont, A. (2014). 「3段階気相輸送法による3D中空カーボンナノテトラポッドの合成」Carbon . 80 : 325–338 . Bibcode :2014Carbo..80..325P. doi :10.1016/j.carbon.2014.08.071.
3. Gong, W.; Chen, W.; He, J.; Tong, Y.; Liu, C.; Su, L.; Su, L.; Gao, B.; Yang, H.; Zhang, Y.; Zhang, X. (2015). 「ZnOナノロッドをテンプレートとし、ドーパミンを炭素前駆体として用いた、基板非依存かつ大面積のカーボンナノチューブ薄膜合成」Carbon . 83 : 275– 281. Bibcode :2015Carbo..83..275G. doi :10.1016/j.carbon.2014.11.018.
4. ヘラー、ルネ;アングラダ・エスクデ、ギエム。ヒプケ、マイケル。ピエール・ケルベラ（2020）。 「星間ミッションの低コストの前駆体」。天文学と天体物理学。641 : A45。arXiv : 2007.12814。ビブコード:2020A&A...641A..45H。土井：10.1051/0004-6361/202038687。S2CID  220793708。
5. Karlapp, Julius; Heller, René; Tajmar, Martin (2024). 「エアログラファイト・ソーラーセイルを用いた火星およびそれ以降への低質量ペイロードの超高速輸送」Acta Astronautica . 219 : 889– 895. arXiv : 2308.16698 . Bibcode :2024AcAau.219..889K. doi : 10.1016/j.actaastro.2024.03.024 . ISSN  0094-5765.
6. Wang, Brian (2023年1月11日). 「太陽近傍で放出されたエアログラファイトが光速の2%以上に加速 | NextBigFuture.com」 . 2023年1月14日閲覧。

外部リンク

• YouTubeの航空写真静電実験のビデオ