Nanomateriaal ‘aerographeen’ gebruikt om extreem krachtige pompen te maken

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Kiel heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor het opwekken van controleerbare elektrische explosies. Theoretisch is er maar 450 gram van dit materiaal nodig om een ​​olifant op te tillen: “Aerografeen” dankt dit vermogen aan zijn unieke structuur op nanoniveau. Visueel vergelijkbaar met een zwart schuim, bestaat het eigenlijk uit een fijn gestructureerd buisvormig netwerk op basis van grafeen met talloze holtes. Dit maakt het extreem stabiel, geleidend en bijna net zo licht als lucht. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van materiaalwetenschappers van de Kiel University (CAU) heeft nu een grote stap gezet richting praktische toepassingen. Ze zijn erin geslaagd om in een extreem korte tijd aërograaf en de lucht die erin zit herhaaldelijk te verwarmen en af ​​te koelen tot zeer hoge temperaturen. Dit maakt extreem krachtige pompen, persluchttoepassingen of het steriliseren van luchtfilters in het klein mogelijk. Het artikel verscheen als coverstory in het huidige nummer van het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Materialen vandaag.

“Toen we deze materialen voor het eerst introduceerden, waren ze tot nu toe de lichtste klasse van materialen ter wereld, met een dichtheid van slechts 0,2 milligram per kubieke centimeter. Omdat dat praktisch lucht is, noemden we ze ‘aeromaterialen'”, herinnert Rainer Adelung zich. De professor voor Functionele Nanomaterialen aan de CAU had de materialen ontwikkeld, die in 2012 voor het eerst werden gepresenteerd, samen met collega’s van de Technische Universiteit van Hamburg. De fascinerende eigenschappen van aeromaterialen wekten wereldwijde belangstelling en zijn sindsdien intensief onderzocht, bijvoorbeeld in het grote Europese onderzoeksinitiatief “Grafeen vlaggenschip.”

Deze nieuwe studie levert een bijdrage aan hoe aeromaterialen van fundamenteel onderzoek tot toepassing kunnen komen. De materiaalwetenschappers uit Kiel hebben samen met collega’s van de Technische Universität Dresden, de Universiteit van Zuid-Denemarken, de Universiteit van Trento, de Queen Mary University of London nog meer eigenschappen ontdekt die innovaties op het gebied van pneumatiek, robotica of luchtfiltertechnologie mogelijk maken.

‘Aerographene’ is zeer snel op te warmen en af ​​te koelen

“In onze experimenten hebben we ontdekt dat aeromaterialen gemaakt van grafeen en andere geleidende nanomaterialen extreem snel elektrisch kunnen worden verwarmd tot enkele honderden graden per milliseconde vanwege hun lage dichtheid.” legt Dr. Fabian Schütt van CAU uit, die samen met Dr. Florian Rasch de experimenten leidde en uitvoerde. Om dit te doen, gebruikten de materiaalwetenschappers de “aerograaf” aeromateriaal, dat uit slechts enkele lagen koolstofatomen en 99,9% lucht bestaat. Bij verhitting wordt deze lucht die zich in het materiaal bevindt ook extreem snel verwarmd en zet uit. Bij zeer snelle verhitting is er sprake van een uitzetting in volume en spreekt men van een “explosie.” “Dit betekent dat we nu aerografeen kunnen gebruiken om kleine controleerbare en herhaalbare explosies te starten die geen chemische reactie vereisen,” zegt Schütt, die hun bevindingen samenvat.

Want bijna net zo snel als het opwarmt, koelt aerograaf weer af zodra de stroomtoevoer wordt uitgeschakeld. “Door zijn extreem lage warmtecapaciteit kan hij nauwelijks warmte opslaan. Via zijn netwerkstructuur geeft het het zeer snel weer vrij in de bevattende lucht,” Schütt vervolgt. De snelle opwarming en afkoeling van het materiaal stelt de onderzoekers in staat om meerdere explosies per seconde achter elkaar te starten. “Hierdoor hebben we met één druk op de knop extreem krachtige perslucht, zonder de compressoren en gastoevoer die anders nodig zijn,” Adelung legt uit.

Materiaal heeft al meer dan 100.000 cycli doorstaan ​​- patent aangevraagd

De wetenschappers gebruiken dit effect om nieuwe pompen te ontwikkelen die specifiek kunnen worden aangepast, evenals krachtige actuatoren in miniatuurformaat. “Als je het aeromateriaal in een drukcilinder plaatst en met elektriciteit verwarmt, kan de opgewekte luchtstoot worden gebruikt om objecten gericht en meerdere keren per seconde op en neer te bewegen,” legt Rasch uit, die onlangs is gepromoveerd op dit onderwerp. In hun experimenten konden de eerste twee auteurs, Schütt en Rasch, aantonen dat zelfs een klein aantal aerografen-objecten die vele malen zwaarder zijn, kan worden verplaatst. Zo was 10 milligram aerograaf genoeg om een ​​gewicht van twee kilogram in slechts enkele milliseconden op te tillen. Dus de actuatoren die zijn ontwikkeld met aerografeen hebben een hoge vermogensdichtheid terwijl ze grote volumeveranderingen behouden.

“In tegenstelling tot chemische reacties zijn deze kleine elektrische explosies heel specifiek te beheersen en ook nog eens heel zuiver. Door de duur en sterkte van de stroomtoevoer te veranderen, kunnen we de frequentie en sterkte van de luchtstoten nauwkeurig regelen,” zegt Rasch. Dankzij de extreme geleidbaarheid van aeromaterialen hebben ze hiervoor maar een kleine hoeveelheid elektriciteit nodig. Bij de experimenten in Kiel heeft het materiaal tot nu toe 100.000 cycli doorstaan ​​en is er al een patent aangevraagd.

Ook te gebruiken als zelfreinigend luchtfilter tegen bacteriën

Als een voorbeeld voor toepassingen ontwikkelt de onderzoeksgroep van Adelung momenteel nieuwe luchtfiltermaterialen en -systemen op basis van aerografeen in samenwerking met de Duitse luchtvaartleverancier Lufthansa Technik en gefinancierd door het Graphene Flagship. “Luchtstromen kunnen zeer goed door de open netwerkstructuur van het materiaal worden geleid en kunnen gedurende korte tijd sterk worden verwarmd. Zo kunnen bijvoorbeeld bacteriën en virussen uit de lucht worden gefilterd en gedood,” zei Adelung. “Hierdoor zouden deze filtersystemen in de toekomst zelfreinigend kunnen werken en zonder duur onderhoud kunnen werken.”