Zahlavi

Revoluce v ochraně proti ohni: čeští vědci vyvinuli nehořlavý grafenový aerogel

01. 12. 2022

Uhlíkový materiál odolávající plamenům s teplotou až 1500 °C se podařilo vytvořit multioborovému týmu fyziků a chemiků z Fyzikálního ústavu AV ČR. Na odstínění takto vysoké teploty přitom stačí pouhý milimetr materiálu. Nový porézní grafenový aerogel dočasně odolá různým typům vysokoteplotních plamenů, včetně velmi reaktivního vodíkového.

Vědcům se vytvořením speciální 3D porézní struktury povedlo zvýšit teplotní odolnost grafenu o neuvěřitelných 1000 °C. Atomárně tenké vrstvy uhlíku, tedy grafen, vykazují běžně teplotní stabilitu v plamenu do 550 °C, což je pro srovnání přibližně teplota zapálení většiny dnes užívaných plastů, která se pohybuje mezi 400 až 500 °C.

„V běžném životě se setkáváme s ochrannými nátěry a chemickými úpravami, které zpomalují hoření, avšak poskytují pouze dočasnou prevenci, protože nemění přirozené vlastnosti ochraňovaného materiálu. Vyvinutý materiál má nízkou tepelnou vodivost, a navíc je velmi lehký a pružný. Materiálů, které vydrží obdobně vysokou teplotu při požáru, existuje velmi málo,“ vysvětluje přednosti nového aerogelu Jiří Červenka, vedoucí vědeckého týmu Fyzikálního ústavu AV ČR.

Pevný jako ocel, pružný jako tkanina

Předností nového materiálu je jeho velmi nízká hustota – ta je pouze šestkrát vyšší než hustota vzduchu. Vyniká ale zároveň i pevností, srovnatelnou s ocelí, a také pružností. Díky své unikátní porézní buněčné struktuře, která se skládá z navzájem propojených grafenových rovin, může být aerogel stlačen na více než 90 % původní velikosti.

„Materiál by mělo být možné použít i jako vrchní vrstvu nehořlavého obleku, který by odolal vysoké teplotě a zároveň by výborně tepelně izoloval. Podobného principu, který byl použit u grafenového aerogelu, bude nejspíš možné využít i u jiných materiálů,“ vysvětluje spoluautor výzkumu Martin Šilhavík.

Vlastní odolnost materiálu proti ohni je založena na jeho samozhášecím mechanismu, který způsobuje zaplnění pórů aerogelu oxidem uhličitým. Právě jeho přítomnost v materiálu zabraňuje vznícení jednotlivých grafenových rovin. Tento princip je velmi podobný systému, na kterém fungují CO2 hasicí přístroje.

Hořlavost jednotlivých materiálů

materiál

teplota vznícení

dřevo

max. 400 °C

bavlna (jako oblečení)

450 °C

plast

max. 500 °C

sklo

800 °C (teplota tavení)

cihla

1200 °C

ocel

1300 °C 

Zdroj:  https://www.hzscr.cz/soubor/kniha-zpp-ptch-pdf.aspx

 

Kontakt:

Ing. Martin Šilhavík
Fyzikální ústav AV ČR
silhavik@fzu.cz

 

Publikace:

Martin Šilhavík, Prabhat Kumar, Zahid Ali Zafar, Robert Král, Petra Zemenová, Alexandra Falvey, Petr Jiříček, Jana Houdková, and Jiří Červenka, High-Temperature Fire Resistance and Self-Extinguishing Behavior of Cellular Graphene, ACS Nano 2022, https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09076

TZ ke stažení

Grafenový aerogel odolávající propanovému hořáku o teplotě 1200 °C. Jeho nízká tepelná vodivost zabraňuje rozžhavení v celém objemu.

Grafenový aerogel odolávající propanovému hořáku o teplotě 1200 °C. Jeho nízká tepelná vodivost zabraňuje rozžhavení v celém objemu.

FOTO: René Volfík, FZÚ
Grafenový aerogel, porézní nehořlavá 3D struktura o hustotě pouze 6 krát větší než vzduch.

Grafenový aerogel, porézní nehořlavá 3D struktura o hustotě pouze 6 krát větší než vzduch.

FOTO: René Volfík, FZÚ
Grafenový aerogel odolávající vodíkovému plamenu o teplotě 1500°C. Nerozžhavená zadní strana aerogelu potvrzuje jeho nízkou tepelnou vodivost, která je spoluzodpovědná za nehořlavost .

Grafenový aerogel odolávající vodíkovému plamenu o teplotě 1500°C. Nerozžhavená zadní strana aerogelu potvrzuje jeho nízkou tepelnou vodivost, která je spoluzodpovědná za nehořlavost .

FOTO: René Volfík, FZÚ
Grafenový aerogel odolávající vodíkovému plamenu o teplotě 1500°C. Nerozžhavená zadní strana aerogelu potvrzuje jeho nízkou tepelnou vodivost, která je spoluzodpovědná za nehořlavost .

Grafenový aerogel odolávající vodíkovému plamenu o teplotě 1500°C. Nerozžhavená zadní strana aerogelu potvrzuje jeho nízkou tepelnou vodivost, která je spoluzodpovědná za nehořlavost .

FOTO: René Volfík, FZÚ
Porézní grafenový aerogel plující na vodní hladině v Petriho misce. Aerogel má výrazně nižší hustotu než voda, ale to není pravý důvod, proč pluje, protože jakákoliv jiná porézní látka (pěna, houba) by se naplnila vodou a klesla pod hladinu. Hydrofobní vlastnosti aerogelu materiálu zabraňují jeho zaplnění vodou a následnému potopení. Téměř dokonalé kulové kapky vody na vrchní části potvrzují jeho superhydrofobicitu.

Porézní grafenový aerogel plující na vodní hladině v Petriho misce. Aerogel má výrazně nižší hustotu než voda, ale to není pravý důvod, proč pluje, protože jakákoliv jiná porézní látka (pěna, houba) by se naplnila vodou a klesla pod hladinu. Hydrofobní vlastnosti aerogelu materiálu zabraňují jeho zaplnění vodou a následnému potopení. Téměř dokonalé kulové kapky vody na vrchní části potvrzují jeho superhydrofobicitu.

FOTO: René Volfík, FZÚ
Průchod laserového záření kapkami vody na hydrofobní grafenovém aerogelu

Průchod laserového záření kapkami vody na hydrofobní grafenovém aerogelu

FOTO: René Volfík, FZÚ
Průchod laserového záření kapkami vody na hydrofobní grafenovém aerogelu

Průchod laserového záření kapkami vody na hydrofobní grafenovém aerogelu

FOTO: René Volfík, FZÚ

Humanitní a filologické vědy

Vědecká pracoviště

Výzkumné projekty ústavů této sekce mají rovněž význam pro celonárodní kulturu a vzdělanost. V literární vědě je třeba nově zpracovat poválečné období české literatury, včetně literatury nezávislé. Naproti tomu klasická studia se soustřeďují na latinské písemnictví v našich zemích a na soupis našich literárních památek do r. 1800. Jazykověda se orientuje na výzkum národního jazyka a jeho historického vývoje v jeho spisovné i nespisovné podobě. Pozornost filozofie je upřena ke studiu filozofických směrů 20. století - k fenomenologii, filozofii existence, ale i k analytické filozofii a teorii vědy - stejně jako k odkazu myslitelů jako J. A. Komenský či J. Patočka. Literatura a jazyky slovanských zemí jsou předmětem naší slavistiky. Orientalistika, která má u nás dlouhou tradici, se věnuje studiu orientálních jazyků, dějinám a kultuře Předního východu, Indie, Číny a arabského světa. Etnografie a folkloristika se vedle tradičních témat hmotné a duchovní lidové kultury zabývá i aktuálními problémy etnických studií emigrace a reemigrace i adaptací jiných etnik v českém prostředí. Rovněž výzkum české hudební kultury je příspěvkem této sekce k poznání a ochraně našeho kulturního dědictví. Sekce zahrnuje 6 ústavů s přibližně 360 zaměstnanci, z nichž je asi 250 vědeckých pracovníků s vysokoškolským vzděláním.

Všechny výzkumné sekce