エアログラファイト

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で構成された合成フォームです。密度は 180 g/m ^{3で、これまでに作られた中で最も軽い構造材料の 1 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者チームが共同で開発し、2012 年 6 月に科学雑誌で初めて報告されました。

エアログラファイトは、数立方センチメートルまでの体積を占める様々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、その特性は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特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]

相互接続され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はるかに優れた引張力耐性を備えています。 エアログラファイトは広範囲の弾性変形に耐え、ポアソン比が非常に低くなっています。 3 mm の高さのサンプルを 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容積の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、そのセンチメートルサイズ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堆積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。金属酸化物の要件は、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形成できる金属相、金属相の蒸発点が低いこと (ZnO、SnO) です。エンジニアリングの観点から、開発された CVD プロセスにより、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。一般的に使用されてい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。もともとはわずか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気相成長法で製造される。テンプレートは数ミクロンの厚さのロッドで構成され、多くの場合はマルチポッドの形状をしており、同量のZnとポリビニルブチラールの粉末を混合し、混合物を900℃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℃で行われる。薄い（約15 nm）不連続な炭素層がZnO上に堆積し、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される。したがって、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]

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）でテストされており、負荷-除荷サイクルに関連する機械的衝撃や電解質の結晶化（溶媒の蒸発時に発生）に耐えています。その比エネルギーは1.25  Wh/kgで、カーボンナノチューブ電極の比エネルギー（約2.3 Wh/kg）に匹敵します。^[1]

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の粒子を放出することが提案された。太陽風は粒子を光速の2%以上、つまり毎秒6000kmまで加速する。ペレットの安定した流れをプラズマ磁気推進システムで利用して、ペイロードを光速の6%、つまり毎秒18000kmまで加速することができる。^[6]

• エアロゲル
• グラフェン
• 金属マイクロ格子

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• YouTubeのエアログラファイト静電実験のビデオ