До и после графена. Уральские электрохимики на ты со знаменитым материалом.

Недавно стало известно, что одна из разработок сотрудников Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН включена Роспатентом в перечень “100 лучших изобретений России” за 2017 год. Это металлические композиты на основе алюминиевой матрицы, упрочненной графеном. Тем самым знаменитым графеном, за новаторские исследования которого бывшие российские, а ныне британские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов (напомним, что Константин тоже по происхождению уралец) получили Нобелевскую премию по физике 2010 года. Об удивительной истории уральского синтеза графена и уникальных свойствах алюминий-графеновых композитов корреспондент “Поиска” поговорила с автором разработки, заведующей лабораторией химических источников тока ИВТЭ, доктором химических наук Людмилой ЕЛШИНОЙ.

Напомним читателю, что композит - это материал, который состоит из пластичной основы (матрицы) и наполнителей, благодаря чему полезные свойства входящих в него компонентов приобретают новые качества. Сегодня большинство используемых нами материалов являются композиционными, поскольку возможности чисто природных веществ человечеством уже исчерпаны. Всем известный пример композита - железобетон, строительный материал из бетона и стали, запатентованный в 1867 г. Жозефом Монье. Кстати, совсем недавно британские физики из Экстерского университета смогли включить в бетон слои графена и получили четырехкратное (!) увеличение прочности. Мало того, улучшенный бетон оказался в два раза защищеннее от разрушения влагой, чем обычный. 

Графен считается одним из самых перспективных наполнителей для композитов. Он и сам по себе обладает уникальным сочетанием свойств, прежде всего высокой прочностью и одновременно исключительной пластичностью. Графен - это двумерная углеродная решетка, образованная единичным слоем атомов углерода толщиной меньше одного нанометра, соединенных между собой химическими связями, геометрия которых напоминает пчелиные соты.

В природе графена нет, точнее, он находится в составе натурального вещества графита, который как раз и образован множеством тончайших слоев графена. Не случайно один из современных способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоев от высокоориентированного пиролитического графита. Сейчас огромные усилия ученых разных стран направлены на поиск оптимальных методов синтеза графена и его производных. Композиты с графеном на основе металлической матрицы получают, например, путем смешивания, а затем сплавления компонентов, однако качество таких материалов невысоко. Методом химического осаждения из газовой фазы можно синтезировать листы графена метрового размера. Специалисты ИВТЭ имеют патент на электрохимическое получение таких графеновых пленок. Однако, по словам Людмилы Елшиной, они настолько тонки, что при большом размере просто скручиваются, поэтому использовать их затруднительно.

Уральские электрохимики решили разработать другой метод получения уникального материала внутри металлической матрицы. Толчком к началу этих исследований послужила информация о присуждении А.Гейму и К.Новоселову главной научной премии планеты за открытие способа синтеза графена. Однако эксперименты с получением углеродной пленки начались в ИВТЭ гораздо раньше. Еще 1988 году Людмила Елшина, работавшая тогда над кандидатской диссертацией, получила на поверхности алюминия первое графеновое покрытие, не подозревая об этом. Конечно, она отметила необычность синтезированного вещества: так, например, после смывания оно продолжало плавать на поверхности воды в виде тончайшей прозрачной пленки. Молодая исследовательница обратилась в аналитическую лабораторию ИВТЭ с просьбой расшифровать структуру углеродной пленки и получила от аналитиков ответ, что это - обычный углерод. В 2012 году Людмила Августовна решила в точности воспроизвести свои эксперименты 25-летней давности и выяснить, не графен ли она тогда получила. Оказалось, это действительно был графен, синтезированный на 22 года раньше присуждения знаменитой награды! Но если в 1988 году он был получен на поверхности алюминия, то теперь уральские электрохимики поставили задачу сделать композит и синтезировали графен внутри расплавленной алюминиевой матрицы. 

- Мы разработали не имеющий аналогов метод создания композитных металлических материалов на основе алюминия или магния, содержащих наночастицы углерода, - поясняет Елшина. - Это одностадийный процесс, который происходит непосредственно в расплавленной алюминиевой или магниевой матрице и не требует предварительного синтеза и выделения углеродных наноматериалов. В получаемых таким образом алюминий-графеновых композитах чешуйки графена размером от 100 нм до 100 мкм равномерно распределены по объему металла, благодаря чему композит отличается высокой однородностью свойств. Совместно с коллегами из Института машиноведения УрО РАН мы исследовали коррозионную стойкость и механические свойства алюминий-углеродных и магний-углеродных металлических материалов. Оказалось, что они устойчивы к коррозии, обладают повышенной твердостью и эластичностью. Это уникальное сочетание высокой твердости и одновременно пластичности достигается именно благодаря графену. Температура плавления алюминий-графеновых композитов точно соответствует температуре плавления исходного алюминия. Исследования методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии показали, что наши образцы обладают высокой устойчивостью к окислению. Они не окисляются в токе кислорода при температуре до 600 градусов Цельсия, а при хранении на воздухе в течение полутора-двух лет сохраняют характерный металлический блеск, не покрываются оксидной пленкой. Наконец, теплопроводность алюминий-графеновых композитов на 18-20% выше по сравнению с исходным алюминием. И все эти необыкновенные свойства материал приобретает именно благодаря наночастицам графена. 

Графен может быть введен в любой алюминиевый сплав, например, в силумин - сплав алюминия с кремнием. Так, введение графена в силуминовую матрицу в количестве всего 0,1-0,5% дает одновременное увеличение прочности в 1,4 раза, твердости - в 1,4 раза, относительного удлинения - в 2,8 раза и упругости - в 1,1 раза.

- Задумывались ли вы о практическом применении синтезированных вами композитов?

- Конечно. Алюминий-графеновые материалы можно переплавлять для литья деталей различной формы без потери исходных свойств, можно прокатывать их в тонкую фольгу и вытягивать в проволоку диаметром менее 100 мкм, что невозможно сделать с обычным алюминием. Сверхтонкие провода из алюминий-графенового композита - отличная альтернатива ныне использующимся медным, тяжелым и дорогостоящим, а также алюминиевым, от которых сейчас уже отказались, поскольку при перегреве они окисляются, становятся хрупкими. К тому же электропроводность алюминий-графеновых проводов на 10% выше, чем у обычных алюминиевых. 

Наши композиты могут применяться в новых химических источниках тока, они очень перспективны в качестве конструкционного материала. Исследования механических и электротехнических свойств алюминий-графеновых композитов мы проводим с коллегами из Российского федерального ядерного центра - Всероссийского научно-исследовательского института технической физики (г. Снежинск). 

Одно из важных преимуществ нашего метода синтеза алюминий-графеновых композитов - дешевизна. Нам не нужно покупать дорогостоящий графен, мы его синтезируем из углеродсодержащих веществ - как органических, так и неорганических. 

Кроме того, у нас есть договор по созданию алюминий-графен-ионного аккумулятора с Иркутской электросетевой компанией из группы компаний En+Group, входящей в холдинг “Базовый элемент”. Мы существенно продвинулись на этом пути, показав, что использование нашего композита позволяет создать аккумулятор с гораздо более высокими удельными характеристиками, чем разрабатываемые сейчас алюминий-ионнные аккумуляторы. Последние, в свою очередь, могут составить альтернативу литий-ионным аккумуляторам, поскольку запасы лития на нашей планете ограничены. 

Напоследок задаю Людмиле Августовне несколько провокационный вопрос:

- Сожалеете о том, что ваше открытие графена не состоялось - а ведь могло на тридцать лет раньше - и пальма первенства досталась другим?

- Немного досадно, конечно. Однако сейчас мы делаем все, чтобы закрепить наш приоритет в разработке алюминий-графеновых композитов. Наша статья в журнале Alloys and Сompounds пользуется большой популярностью, мы получаем массу предложений участвовать в конференциях в нашей стране и за рубежом, а наш метод упоминается во всех обзорных статьях по этой тематике.
18 мая 2018
Источник: Поиск