Uma equipe de pesquisa internacional liderada por Kiel desenvolveu um novo método para a geração de explosões elétricas controláveis. Teoricamente, são necessários apenas 450 gramas desse material para levantar um elefante:o "Aerographene" deve essa capacidade à sua estrutura única no nível nano. Visualmente semelhante a uma espuma preta, na verdade consiste em uma rede tubular finamente estruturada à base de grafeno com inúmeras cavidades. Isso o torna extremamente estável, condutor e quase tão leve quanto o ar. Uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas de materiais da Universidade de Kiel (CAU) deu agora um grande passo em direção a aplicações práticas. Eles conseguiram aquecer e resfriar repetidamente o aerógrafo e o ar contido no interior a temperaturas muito altas em um período de tempo extremamente curto. Isso permite bombas extremamente potentes, aplicações de ar comprimido ou filtros de ar esterilizantes em miniatura. O artigo apareceu como matéria de capa na edição atual da renomada revista científica Materials Today .
"Quando introduzimos esses materiais, eles eram a classe de materiais mais leve do mundo até hoje, com uma densidade de apenas 0,2 miligramas por centímetro cúbico. Como isso é praticamente ar, nós os chamamos de 'aeromateriais'", lembra Rainer Adelung. O professor de Nanomateriais Funcionais do CAU desenvolveu os materiais, que foram apresentados pela primeira vez em 2012, juntamente com colegas da Universidade de Tecnologia de Hamburgo. As propriedades fascinantes dos aeromateriais geraram interesse mundial e foram intensamente pesquisadas desde então, por exemplo, na principal iniciativa de pesquisa européia "Graphene Flagship".

Este novo estudo fornece uma contribuição de como os aeromateriais podem passar da pesquisa básica à aplicação. Os cientistas de materiais de Kiel, juntamente com colegas da Technische Universität Dresden, University of Southern Denmark, University of Trento, Queen Mary University of London, descobriram outras propriedades que permitem inovações em pneumática, robótica ou tecnologia de filtro de ar.

'Aerographene' pode ser aquecido e resfriado muito rapidamente

"Em nossos experimentos, descobrimos que aeromateriais feitos de grafeno e outros nanomateriais condutores podem ser aquecidos eletricamente de forma extremamente rápida com até várias centenas de graus por milissegundo devido à sua baixa densidade", explica o Dr. Fabian Schütt da CAU, que liderou e conduziu os experimentos em conjunto com o Dr. Florian Rasch. Para isso, os cientistas de materiais usaram o aeromaterial "aerographene", que consiste em apenas algumas camadas de átomos de carbono e 99,9% de ar. Quando aquecido, esse ar contido no interior do material também é aquecido de forma extremamente rápida e se expande. No caso de aquecimento muito rápido, há uma expansão de volume e fala-se de uma "explosão". "Isso significa que agora podemos usar o aerografeno para iniciar pequenas explosões controláveis ​​e repetíveis que não exigem uma reação química", diz Schütt, resumindo suas descobertas.

Isso porque quase tão rápido quanto aquece, o aerografeno esfria novamente assim que a fonte de alimentação é desligada. "Ele dificilmente pode armazenar qualquer calor devido à sua capacidade de aquecimento extremamente baixa. Através de sua estrutura de rede, ele o libera muito rapidamente de volta ao ar contido", continua Schütt. O rápido aquecimento e resfriamento do material permite que os pesquisadores iniciem várias explosões por segundo, uma após a outra. "Isso nos dá ar comprimido extremamente potente com o apertar de um botão, sem os compressores e suprimentos de gás que são necessários", explica Adelung.

O material já resistiu a mais de 100.000 ciclos — patente pendente

Os cientistas usam esse efeito para desenvolver novas bombas que podem ser ajustadas especificamente, bem como atuadores de alto desempenho em formato miniatura. "Se você colocar o aeromaterial em um cilindro de pressão e aquecê-lo com eletricidade, o jato de ar gerado pode ser usado para mover objetos para cima e para baixo de maneira direcionada e várias vezes por segundo", explica Rasch, que recentemente concluiu sua tese de doutorado em este assunto. Em seus experimentos, os dois primeiros autores, Schütt e Rasch, conseguiram mostrar que mesmo uma pequena quantidade de objetos de aerografeno que são muitas vezes mais pesados ​​podem ser movidos. Por exemplo, 10 miligramas de aerografeno foram suficientes para levantar um peso de dois quilos em apenas alguns milissegundos. Assim, os atuadores desenvolvidos com aerografeno possuem altas densidades de potência, mantendo grandes variações de volume.

"Em contraste com as reações químicas, essas pequenas explosões elétricas podem ser controladas de forma muito específica e também são muito limpas. Alterando a duração e a força do fornecimento de corrente, podemos controlar com precisão a frequência e a força das rajadas de ar", diz Rasch. Graças à extrema condutividade dos aeromateriais, eles precisam apenas de uma pequena quantidade de eletricidade para isso. Nos experimentos realizados em Kiel, o material resistiu a 100.000 ciclos até agora, e uma patente já foi registrada.

Também pode ser usado como filtro de ar autolimpante contra bactérias

Como exemplo de aplicação, o grupo de pesquisa de Adelung está atualmente desenvolvendo novos materiais e sistemas de filtro de ar baseados em aerografeno em cooperação com o fornecedor de aviação alemão Lufthansa Technik e financiado pela Graphene Flagship. "As correntes de ar podem ser guiadas muito bem através da estrutura de rede aberta do material e podem ser aquecidas fortemente por um curto período de tempo. Dessa forma, bactérias e vírus, por exemplo, podem ser filtrados do ar e mortos", disse Adelung. . "Isso pode permitir que esses sistemas de filtro funcionem com autolimpeza e funcionem sem manutenção cara no futuro". + Explorar mais

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