Eine neue Art des Airbrushens 03.05.2015

Wenn wir über etwas Leichtes und Schwereloses sprechen, verwenden wir oft das Adjektiv „Luft“. Luft hat jedoch immer noch eine Masse, wenn auch nur eine kleine - ein Kubikmeter Luft wiegt etwas mehr als ein Kilogramm. Ist es möglich, ein festes Material herzustellen, das beispielsweise einen Kubikmeter einnimmt, aber gleichzeitig weniger als ein Kilogramm wiegt? Dieses Problem wurde Anfang des letzten Jahrhunderts von dem amerikanischen Chemiker und Ingenieur Stephen Kistler gelöst, der als Erfinder des Aerogels bekannt ist.

Die 3D-gedruckte Makrostruktur der Airbrush verleiht ihr einzigartige mechanische Eigenschaften, ohne ihre „Graphen“-Natur zu verlieren. Bildnachweis: Ryan Chen/LLNLDie 3D-gedruckte Makrostruktur der Airbrush-Spritzpistole verleiht ihr einzigartige mechanische Eigenschaften, ohne ihre „Graphen“-Natur zu verlieren.

Wahrscheinlich ist für viele die erste Assoziation mit dem Wort „Gel“ mit einer Art Kosmetikprodukt oder Haushaltschemikalien verbunden. Obwohl ein Gel eigentlich ein rein chemischer Begriff ist, der sich auf ein System bezieht, das aus einem dreidimensionalen Netzwerk von Makromolekülen besteht, einer Art Gerüst, in dessen Hohlräumen sich eine Flüssigkeit befindet. Aufgrund dieses molekularen Gerüsts breitet sich dasselbe Duschgel nicht auf der Handfläche aus, sondern nimmt eine fühlbare Form an. Aber es ist unmöglich, ein so gewöhnliches Gel als luftig zu bezeichnen - die Flüssigkeit, die den größten Teil davon ausmacht, ist fast tausendmal schwerer als Luft. Hier kamen die Experimentatoren auf die Idee, wie man ein ultraleichtes Material herstellt.

Wenn Sie ein flüssiges Gel nehmen und auf irgendeine Weise Wasser daraus entfernen und es durch Luft ersetzen, bleibt als Ergebnis nur ein Skelett des Gels zurück, das für Härte sorgt, aber gleichzeitig praktisch kein Gewicht hat. Dieses Material wird Aerogel genannt. Seit seiner Erfindung im Jahr 1930 hat unter Chemikern eine Art Wettbewerb um das leichteste Aerogel begonnen. Lange Zeit wurde zu seiner Gewinnung hauptsächlich ein Material auf Basis von Siliziumdioxid verwendet. Die Dichte solcher Silikon-Aerogele reichte von Zehntel bis Hundertstel Gramm pro Kubikzentimeter. Als man begann, Kohlenstoff-Nanoröhren als Material zu verwenden, wurde die Dichte von Aerogelen um fast zwei Größenordnungen reduziert. Beispielsweise hatte Airgraphit eine Dichte von 0,18 mg/cm3. Bis heute gehört die Handfläche aus dem leichtesten festen Material der Airbrush, ihre Dichte beträgt nur 0,16 mg / cm3. Zur Verdeutlichung: Ein Meterwürfel aus Airbrush-Papier würde 160 g wiegen, was achtmal leichter ist als Luft.

Chemiker sind jedoch bei weitem nicht nur von sportlichem Interesse getrieben, und Graphen als Material für Aerogele wurde nicht zufällig verwendet. Graphen selbst hat viele einzigartige Eigenschaften, die größtenteils auf seine flache Struktur zurückzuführen sind. Andererseits haben Aerogele auch besondere Eigenschaften, eine davon ist eine riesige spezifische Oberfläche, die hunderte und tausende Quadratmeter pro Gramm Substanz beträgt. Eine so riesige Fläche entsteht durch die hohe Porosität des Materials. Chemikern ist es bereits gelungen, die spezifischen Eigenschaften von Graphen mit der einzigartigen Struktur von Aerogelen zu kombinieren, aber Forscher des Livermore National Laboratory benötigten aus irgendeinem Grund auch einen 3D-Drucker, um Airbrush zu erstellen.

Um Aerogel drucken zu können, musste zunächst eine spezielle Tinte auf Basis von Graphenoxid hergestellt werden. Abgesehen davon, dass sie mit Airbrush aufgetragen werden sollten, ist es erforderlich, dass diese Tinte für den 3D-Druck geeignet ist. Mit der Lösung dieses Problems haben Chemiker ein Verfahren in die Hände bekommen, mit dem es möglich ist, Airbrush mit der gewünschten Mikroarchitektur herzustellen. Dies ist sehr wichtig, da ein solches Material neben den Eigenschaften, die Graphen innewohnen, auch interessante physikalische Eigenschaften aufweisen wird. So erwies sich die Probe, die die Autoren der Studie erhielten, als überraschend elastisch – ein Airbrush-Würfel ließ sich zehnmal komprimieren, ohne dass das Material Schaden nahm, während er bei wiederholter Druck-Dehnung seine Eigenschaften nicht verlor.

Die Fähigkeit, wiederholt zu komprimieren, unterscheidet den gedruckten Airbrush von dem, der auf dem "normalen" Weg erhalten wird. Eine der praktischen Anwendungen der neuen Airbrush könnten flexible elektrische Batterien sein, bei denen die große innere Oberfläche des Materials als Elektrode verwendet wird, während die gedruckte Struktur ihm die gewünschte Flexibilität verleiht.