Wenn Aerographit leichter als Luft ist, warum schwimmt er dann nicht?

Luft ist sechsmal dichter als Aerographit, aber wenn ich mir Bilder oder Videos ansehe, die das Material zeigen, sehe ich, dass es auf Tischen ruht, anstatt sich zur Decke zu erheben.
Da das Material aus Kohlenstoffnanoröhren besteht, gehe ich davon aus, dass es zwischen diesen Röhren Leerräume gibt. Warum sind diese Räume nicht von Luft besetzt?

Antworten (3)

Deine beiden Fragen hängen zusammen. In Aerographen (und anderen Aerogelen) gibt es eine riesige Menge an Leerraum. Dieser Raum ist jedoch mit Luft gefüllt, und gerade weil er mit Luft gefüllt ist, schwimmt er nicht.

Dies liegt daran, dass die angegebene Dichte die Dichte ist, die das Material hätte, wenn die Luft abgesaugt würde (dh im Vakuum), und sie so niedrig ist, weil das Material extrem porös ist. Aber in der Atmosphäre füllt die Luft den riesigen leeren Raum. Das durch Aerographit verdrängte effektive Luftvolumen nimmt nur noch das äußerst kleine Volumen der Aerographit-Nanoröhren ein. Das winzige Gewicht dieser verdrängten Luft stellt die Auftriebskraft dar , die nicht ausreicht, um dem Gewicht der Struktur entgegenzuwirken. Da es so porös ist, nimmt die Dichte des Aerographits effektiv zu, wenn es nicht im Vakuum ist.

Andererseits, da Graphen bekanntermaßen für Atome undurchlässig ist , wenn Sie die Luft aus Aerographen saugen und in Graphen einhüllen und wenn die Außenluft das Ganze nicht so zerquetschen würde, dass seine Dichte die von übertrifft Luft, dann könnte der entstehende Ballon schweben.

Wie würde das Füllen des Aerographen mit Luft verhindern, dass es schwimmt? Seine Dichte ist immer noch geringer als die von Luft.
Aerographit würde effektiv das Luftvolumen verdrängen, das der Summe der Volumina aller Nanoröhren entspricht, aus denen Aerographit besteht (alles andere würde gefüllte Luft erhalten). Die Auftriebskraft wäre dann gleich dem Gewicht der Luft, die dieses Volumen einnimmt.
Dies wäre weniger als das Gewicht der Struktur, insbesondere in Anbetracht der dichten Zusammensetzung der Nanoröhren, aus denen der Aerographit zusammengesetzt ist. Mit anderen Worten, es würde nicht schwimmen, da die gesamte Struktur dichter als Luft ist.
@udiboy Es ist das Vakuum, das schwebt, nicht das harte Zeug. Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass ein Vakuum nicht schwimmt ... wenn man es irgendwie einkapseln kann.
Eine Analogie: Schweben Stahlbleche? Wenn Sie sie zu einem Flugzeugträger formen? wenn Sie den Flugzeugträger mit Wasser füllen?
Fühlt sich irgendwie an wie Betrug. Könnte ich nicht einfach eine riesige leere Kiste bauen und sagen, wenn das Innere ein Vakuum wäre, ist das Ganze leichter als Luft?

Was folgt, ist sehr ähnlich wie die Antwort von mgphys , aber ich werde pedantisch sein, was ich meine.

Also stell dir das vor

  1. Ich fertige einen beträchtlichen Körper aus Areographen und schneide dann vorsichtig ein rechteckiges Prisma daraus heraus h durch l durch w in Größe. Dies ergibt ein Volumen für das Material von v = h l w .

  2. Stellen Sie eine Analysenwaage in eine Vakuumkammer und messen Sie sorgfältig die Masse M des Testmusters. Jetzt berechne ich eine Zahl für die Schüttdichte ρ b u l k = M / v was etwas geringer sein wird als die Dichte von Luft. Dies ist die Art von Messung, die die Leute meinen, wenn sie sagen, dass Aerogele und Areographene weniger dicht sind als Luft.

  3. Wenn ich jedoch meine Probe herausnehme und sie unter einem Mikroskop betrachte, sehe ich, dass sie eine feinschuppige Struktur hat, in der Filamente und Graphenschichten nicht das Volumen des Materials ausfüllen, sondern stattdessen ein offenes Gitterwerk bilden. Das tatsächliche Volumen von Graphen ist es also nicht v überhaupt!

  4. Wenn ich eine Flüssigkeit wähle, die das Material nicht beschädigt, könnte ich das Volumen sorgfältig messen v tatsächlich durch das Graphen mit der Methode von Archimedes besetzt.

  5. Damit rechne ich ρ d e t a ich l = M / v die höher sein wird als die Dichte der Luft. Da nun die Luft in die Zwischenräume zwischen den Filamenten und Folien eintreten kann, ist das durch die Probe verdrängte Luftvolumen gleich groß v , nicht v und die Dichte, die wir verwenden müssen, um zu bestimmen, ob es schwimmt, ist ρ d e t a ich l .

Dies ist auch der Grund, warum mgphys angibt, dass, wenn wir die Probe im Vakuum mit einer dünnen, nicht durchlässigen Membran umhüllen würden (und diese Membran hält und die Probe nicht zerdrückt wird), sie schwimmen könnte .

Zu 4. Hängt das nicht von der Flüssigkeit ab, die Sie verwenden? Ich nehme an, dass etwas wie flüssiges Helium kleine leere Räume einnehmen würde, die nicht von Wasser besetzt würden, da die Größe eines H20-Moleküls größer ist als die eines Heliumatoms. Dies würde bedeuten, dass Sie nur eine Obergrenze für das von Graphen eingenommene Volumen finden können.
Bis zu einem gewissen Grad ja, aber die Mikrostruktur dieser Schäume ist auf der Skala von Molekülen ziemlich groß, daher wäre dies eine geringfügige Anpassung.

Die Dichtemessung wurde in Luft durchgeführt, nicht im Vakuum.

Auf Seite 24 des Supporting Materials-Dokuments heißt es:

Bestimmung von Massen und Dichten:

Die Abmessungen von Aerographit-Proben wurden durch Lichtmikroskopie bestimmt. Die Masse der Proben wurde unter atmosphärischen Standardbedingungen mit einer Saratorius MC5-Mikrowaage gemessen (Kapazität/Ablesbarkeit: 5,1 g x 1 μg; Wiederholbarkeit: ± 1 Mikrogramm).

(Betonung hinzugefügt)

Das bedeutet, dass das Gewicht (und damit die Dichte) die Auftriebswirkung der umgebenden Luft nicht berücksichtigt hat. Die tatsächliche Dichte ist der veröffentlichte Wert PLUS die Luftdichte.

Sehr nett Peter. Unterschiedliche Kristallstrukturen können die Dichte tatsächlich enorm unterschiedlich machen. Hast du Quellen für deine Hypothese oder ist das nur eine Vermutung?
@Ali Quelle siehe unten im Beitrag.
Wenn Aerographit leichter als Luft ist, warum schwimmt er dann nicht?
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