Углеро́дная нанопе́на, аллотропная модификация углерода, состоящая из кластеров углерода, соединённых в слабо упорядоченную трёхмерную сетку.

Свойства

Структура углеродной нанопены близка к фрактальной и состоит из sp²-гибридизованных графитоподобных кластеров, соединённых sp³-связями. Большинство sp³-связей в углеродной нанопене находятся на поверхности материала и составляют 15–45% от его объёма, что делает её похожей на алмазоподобный углерод. Углеродная нанопена обладает высокой удельной поверхностью – 300–400 м²/г и очень низкой плотностью – 2–10∙10^-3 г/см³, схожей с плотностью углеродных аэрогелей. В отличие от углеродных аэрогелей углеродная нанопена плохо проводит электричество из-за большого количества неспаренных электронов. Данный факт также является причиной того, что углеродная нанопена притягивается к магнитам, а при температуре ниже –183 °C становится ферромагнетиком с узкой петлёй гистерезиса. Магнитный момент углеродной нанопены изменяется с течением времени – максимальное значение наблюдается в первые 2 часа после её получения. Углеродная нанопена является единственной модификацией углерода, обладающей ферромагнитными свойствами.

Получение

Углеродная нанопена впервые была получена А. Роде и коллегами путём абляции углеродсодержащего сырья высокочастотным лазером в среде аргона при низком вакууме. В литературе описаны и другие методы получения – гидротермальная карбонизация сахарозы (Fundamental properties of high-quality carbon nanofoam... 2016. P. 2065–2073), темплатный синтез (García‐Martínez. 2008. P. 288–292) и др.

Применение

Углеродная нанопена, а также композитные материалы на её основе являются перспективными материалами для анодов натрий-ионных аккумуляторных батарей, могут применяться в качестве эффективных фотокатализаторов для получения водорода под действием видимого света.

За счёт своих уникальных свойств углеродная нанопена может использоваться для хранения водорода в топливных ячейках, в спинтронике и электронике, в медицине (магнитно-резонансная томография) и др.