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Graphenschaum mit explosiver Kraft

Ultraporöses Aerographen erzeugt elektrisch kontrollierbare Druckluftschübe

Aerographen
Sieht aus wie Johle oder schwarzer Schaumstoff, besteht aber aus Graphen und 99,9 Prozent Luft: Aerographen. © Julia Siekmann/ Universität Kiel

Nur 450 Gramm reichen aus, um einen Elefanten anzuheben: Forscher haben einen Schaum aus Graphen konstruiert, der extrem stabil ist – und starke Druckluft erzeugen kann. Möglich wird dies, weil das Geflecht aus Graphen-Röhrchen sich bei Stromzufuhr erhitzt und die in ihm enthaltene Luft explosionsartig ausdehnt. Der so erzeugte Überdruck lässt sich nutzen, um beispielsweise ultraleichte elektrische Druckluftpumpen und andere pneumatische Anwendungen ohne aufwändige Kompressortechnik zu konstruieren.

Einlagiger Kohlenstoff in Form von Nanoröhrchen oder Graphen gilt schon länger als wahrer Tausendsassa unter den Materialien. Denn seine einzigartigen elektrischen, mechanischen und optischen Eigenschaften machen ihn zu einem vielseitig einsetzbaren Werkstoff. So kann eine Graphen-Doppelschicht durch bloße Verschiebung der Lagen zum Supraleiter werden, als poröser Schaum hingegen ist Graphen zehnfach härter als Stahl und trotzdem kaum schwerer als Luft.

Aerographen-STruktur
Dieses vergrößerte Modell zeigt die aus Graphenröhren gebildete Struktur des Aerographens. © Julia Siekmann/ Universität Kiel

Blitzschnelle Reaktion bei Stromzufuhr

Doch der Graphen-Schaum kann noch mehr, wie nun Fabian Schütt von der Universität Kiel und seine Kollegen herausgefunden haben. Für ihre Studie hatten sie ein ultraporöses „Aerographen“ aus im Schnitt 25 Mikrometer langen und zwei Mikrometer dicken Graphenröhren hergestellt. Diese Röhrchen bilden ein Gerüst mit annähernd hexagonalen, luftgefüllten Hohlräumen. Dadurch besteht dieser schwarze, äußerlich dem Schaumstoff ähnliche Graphenschaum zu 99,9 Prozent aus Luft.

Das Entscheidende jedoch: Wenn man das Aerographen unter Strom setzt, reagiert es blitzschnell: In gut zwei Millisekunden erhitzte sich der Graphenschaum von Raumtemperatur auf 390 Grad. „In unseren Experimenten haben wir festgestellt, dass sich Aeromaterialien aus Graphen und anderen leitfähigen Nanomaterialien mit bis zu mehreren hundert Grad in der Millisekunde elektrisch aufheizen lassen, ohne dabei zerstört zu werden“, erklärt Schütt.

Elektrisch kontrollierte Explosionen

Als Ursache für diese extrem schnelle Reaktion sehen die Forschenden die Kombination aus großen Luftporen und den speziellen thermischen Eigenschaften des Graphens: „Aufgrund seiner extrem niedrigen Wärmekapazität kann es kaum Wärme speichern und gibt sie über seine Netzwerkstruktur sehr schnell wieder an die enthaltende Luft ab“, erklärt Schütt. Dadurch heizt sich die Luft nicht nur nahezu instantan stark auf – sie dehnt sich auch entsprechend stark aus.

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Aufheizen
Bei Stromzufuhr heizt das Aerographen die in ihm enthaltene Luft innerhalb von Millisekunden auf.© Fabian Schütt / Materials Today

Im Prinzip kommt es dadurch zu einer Serie von blitzschnellen, elektrisch steuerbaren Mini-Explosionen im Graphen und in seiner unmittelbaren Umgebung: Sobald Strom zugeführt wird, erzeugt die abrupte und starke Volumenausdehnung der Luft einen Überdruck. Schaltet man den Strom wieder ab, kehrt das Graphen ebenso schnell in seinen Ausgangszustand zurück. In den Experimenten hat das Material schon 100.000 solcher Zyklen standgehalten, wie das Team berichtet.

Neuartige Druckluftpumpen und Aktuatoren

Dadurch eröffnet das Aerographen ganz neue Möglichkeiten der praktischen Anwendung. „Damit sind wir jetzt in der Lage, mithilfe von Aerographen kontrolliert und wiederholt kleine Explosionen auszulösen, die keine chemische Reaktion benötigen“, sagt Schütt. Man erhalte dadurch starke Druckluft auf Knopfdruck, ohne die sonst benötigten Kompressoren und Gaszuführungen. Das ermöglicht es beispielsweise, neuartige Druckluftpumpen, aber auch pneumatische Aktuatoren auf Basis dieses Graphens zu konstruieren.

„Platziert man das Aeromaterial in einen Druckzylinder und erhitzt es per Strom, lassen sich mit dem so erzeugten Luftstoß Gegenstände gezielt und mehrmals pro Sekunde auf- und ab bewegen“, erklärt Schütts Kollege Florian Rasch. Im Experiment reichten zehn Milligramm des Aerographens, um ein zwei Kilogramm schweres Gewicht nahezu instantan anzuheben. Im Prinzip bräuchte man nur 450 Gramm des Graphenschaums, um einen ganzen Elefanten anzuheben.

Ein weiterer Vorteil: „Diese kleinen elektrischen Explosionen lassen sich außerdem – im Gegensatz zu chemischen Reaktionen – sehr gezielt steuern und sind schlicht sauberer“, sagt Rasch. „Über die Dauer und Stärke der Stromzufuhr können wir die Frequenz und Stärke der Luftstöße exakt kontrollieren.“ Dank der extremen Leitfähigkeit von Aeromaterialien benötigt dies nur wenig Strom. (Materials Today, 2021; doi: 10.1016/j.mattod.2021.03.010)

Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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