Если аэрографит легче воздуха, то почему он не плавает?

Ваши два вопроса связаны. В аэрографене (и других аэрогелях) огромное количество пустого пространства. Однако это пространство заполнено воздухом, и именно потому, что оно заполнено воздухом, оно не плавает.

Это связано с тем, что указанная плотность представляет собой плотность материала, которую он имел бы, если бы воздух был отсосан (т. е. в вакууме), и она настолько мала, потому что материал чрезвычайно пористый. Но в атмосфере воздух заполняет огромное пустое пространство. Эффективный объем вытесняемого аэрографитом воздуха теперь занимает только объем составляющих его нанотрубок аэрографита, что крайне мало. Крошечный вес этого вытесненного воздуха представляет собой выталкивающую силу , которой недостаточно, чтобы противостоять весу конструкции. Фактически, поскольку он настолько пористый, плотность аэрографита увеличивается, когда он не находится в вакууме.

С другой стороны, учитывая, что графен, как известно, непроницаем для атомов , если вы высосете воздух из аэрографена и заключите его в графен, и если внешний воздух не сожмет все это так, что его плотность превысит плотность воздуха, чем получившийся воздушный шар может всплыть.

То, что следует далее, очень похоже на ответ mgphys , но я буду педантично относиться к тому, что я имею в виду.

Итак, представьте, что

1. Я изготавливаю большую массу ареографена, а затем аккуратно вырезаю из него прямоугольную призму,$h$по$l$по$w$по размеру. Это дает объем для материала$V = h l w$.

2. Поместите аналитические весы в вакуумную камеру и тщательно измерьте массу.$M$тестового образца. Теперь вычисляю цифру для насыпной плотности$\rho_\mathrm{bulk} = M/V$что будет несколько меньше плотности воздуха. Именно такое измерение имеют в виду, когда говорят, что ареогели и ареографены менее плотны, чем воздух.

3. Однако, если я возьму свой образец и посмотрю на него под микроскопом, я увижу, что он имеет мелкомасштабную структуру, в которой нити и листы графена не заполняют объем материала, а вместо этого образуют открытую решетку. Так что реальный объем графена не$V$вообще!

4. Если я выберу жидкость, которая не повредит материал, я смогу тщательно измерить объем.$v$фактически занятый графеном по методу Архимеда.

5. С этим я вычисляю$\rho_\mathrm{detail} = M/v$что будет выше плотности воздуха. Теперь, поскольку воздух может перемещаться в пространство между нитями и листами, объем воздуха , вытесняемый образцом, равен$v$, нет$V$и плотность, которую мы должны использовать, чтобы определить, будет ли он плавать, равна$\rho_\mathrm{detail}$.

Вот почему mgphys утверждает, что если бы мы обернули образец тонкой непроницаемой мембраной в вакууме (и эта мембрана удержалась, а образец не раздавился), он мог бы всплыть.

Измерение плотности проводилось на воздухе, а не в вакууме.

На странице 24 документа «Вспомогательные материалы» говорится:

Определение масс и плотностей:

Размеры образцов аэрографита определяли с помощью световой микроскопии. Массу образцов измеряли в стандартных атмосферных условиях с помощью микровесов Saratorius MC5 (Емкость/читаемость: 5,1 г x 1 мкг; воспроизводимость: ± 1 микрограмм).

(выделение добавлено)

Это означает, что вес (и, следовательно, плотность) не учитывал выталкивающую силу окружающего воздуха. Фактическая плотность - это опубликованное значение ПЛЮС плотность воздуха.