От зубных щеток до аэрокосмической отрасли: из графена создали инновационное теплопроводящее волокно
Пятнадцать лет исследований, стартовавших с абстрактной на первый взгляд идеи, привели к созданию волокон, которые одновременно прочнее многих металлов и проводят тепло лучше, чем большинство известных материалов.
Светлана ЛевченкоАвтор новостей
Речь идет о графеновых волокнах, чье появление стало возможным благодаря открытию жидких кристаллов оксида графена, сделанному учеными KAIST в 2011 году. Сейчас команда профессора Сан Оука Кима подвела итоги своей работы в этом направлении.
Оксид графена — это графен (один атомный слой углерода в виде «сотовой» решетки), к которому добавлены кислородсодержащие группы. Сам по себе графен исключительно прочен и хорошо проводит тепло и электричество, но его почти невозможно равномерно «размешать» в воде, а значит — трудно использовать в виде жидких чернил или волокнообразующих растворов. Оксид графена, напротив, легко образует устойчивые водные дисперсии, что открывает путь к печати, покрытию поверхностей и формированию волокон.
В 2011 году группа Кима первой в мире показала, что при определенной концентрации в воде листы оксида графена самопроизвольно выстраиваются в жидкокристаллическое состояние — то есть начинают ориентироваться примерно в одном направлении, как аккуратно сложенная колода карт. Это свойство стало ключевой предпосылкой для прядения длинных волокон, в которых листы выровнены вдоль оси нити.
На основе этой идеи по всему миру стали разрабатывать технологии получения графеновых волокон из жидких кристаллов оксида графена. Однако ранние методы страдали от разрывов струй при вытягивании и недостаточного упорядочения листов, из‑за чего внутри волокон оставались пустоты и дефекты. Это мешало одновременно повысить и прочность, и теплопроводность.
В своих новых экспериментах ученые существенно шагнули вперед. Так, ученые из Чжэцзянского университета в Китае стали растворять оксид графена не просто в воде, а в вязком глицерине, превращая систему в полимерный раствор. Это позволило экстремально растягивать нити на стадии «мокрого» прядения, сильнее выравнивая листы вдоль волокна и уплотняя их. Высокотемпературная обработка затем превращает эти упорядоченные структуры в крупные графитоподобные кристаллиты.
В результате были получены легкие графеновые волокна с прочностью до 5,9 гигапаскаля и теплопроводностью до 1720 Вт/(м·К) — сочетание, которое делает их перспективными для отвода тепла и в то же время механически надежными.
Важно, что эта разработка уже вышла за пределы лаборатории. Технология KAIST легла в основу антибактериальных графеновых зубных щеток компании Sojaechangjo, которых с 2023 года продано более 14 миллионов штук. Материал GrapheneTex использовали в форме волокон для формы демонстрационной команды по тхэквондо на Олимпиаде в Париже в 2024 году, а затем — в другом спортивном текстиле и постельных принадлежностях.
Впереди — еще более высокотехнологичные применения: легкие и прочные теплопроводящие волокна могут пригодиться в системах охлаждения электроники, компонентах для электромобилей и авиации, а также в носимой электронике и «умной» одежде.
Ранее ученые обнаружили, что крошечные складки графена создают удивительные электрические эффекты.
Поделиться
