Naukowcy zaprojektowali projekt inspirowany naturą węgiel aerożelowy materiał termoizolacyjny w tubie na bazie mikrostruktury sierści niedźwiedzia polarnego. Ten lekki, wysoce elastyczny i bardziej wydajny izolator ciepła otwiera nowe możliwości w zakresie energooszczędnej izolacji budynków
Niedźwiedź polarny sierść pomaga zwierzęciu zapobiegać utracie ciepła w zimnych i wilgotnych warunkach klimatycznych panujących w mroźnym kole podbiegunowym. Włosy niedźwiedzia polarnego są naturalnie puste w środku, w przeciwieństwie do włosów ludzkich ssaki. Każde pasmo włosów ma długi, cylindryczny rdzeń biegnący przez jego środek. To właśnie ten kształt i rozmieszczenie wgłębień nadaje włosom niedźwiedzia polarnego wyraźną białą sierść. Wnęki te mają wiele właściwości, takich jak wyjątkowe trzymanie ciepła, wodoodporność, elastyczność itp., co czyni je bardzo dobrym materiałem izolacyjnym. Puste centra ograniczają przepływ ciepła, a jednocześnie pod względem konstrukcyjnym sprawiają, że każde pasmo jest wyjątkowo lekkie. Ponadto niezwilżalna sierść niedźwiedzia polarnego utrzymuje zwierzę w cieple, gdy pływa w temperaturach poniżej zera, a także w wilgotnych warunkach. Sierść niedźwiedzia polarnego jest zatem bardzo dobrym modelem do projektowania materiałów syntetycznych, które mogą zapewnić skuteczną izolację przed ciepłem, podobnie jak sierść niedźwiedzia polarnego robi to w sposób naturalny.
W nowym badaniu opublikowanym 6 czerwca w Chem, naukowcy opracowali nowy izolator, czerpiąc inspirację z mikrostruktury poszczególnych sierści niedźwiedzi polarnych i naśladując ją, a tym samym uzyskując wszystkie jego unikalne właściwości. Wyprodukowali miliony superelastycznych, lekkich, wydrążonych rurek węglowych, każda wielkości pojedynczego pasma włosów, i nawinęli je w blok aerożelu. Proces projektowania rozpoczął się najpierw od wykonania hydrożelu kablowego z nanodrutów tellurowych (Te) jako szablonu, który został pokryty powłoką węglową. Następnie wytworzyli aerożel węglowy (CTA) z tego hydrożelu, najpierw go susząc, a następnie kalcynując w atmosferze obojętnego argonu w temperaturze 900 °C w celu usunięcia nanodrutów Te. Ta unikalna konstrukcja sprawia, że CTA jest doskonałym izolatorem termicznym, a także superelastycznym z natury, ponieważ odbija się z prędkością 1434 mm/s. Jest to najszybszy w historii w porównaniu do wszystkich konwencjonalnych materiałów elastycznych. Autorzy zwracają uwagę, że jest jeszcze bardziej elastyczna niż sierść niedźwiedzia polarnego.
Dzięki pustej strukturze rurek węglowych, materiał wykazuje doskonałą przewodność cieplną, która jest niższa niż suchego powietrza, ze względu na mniejszą średnicę wewnętrzną materiału niż swobodna droga powietrza. Materiał wykazał długowieczność poprzez utrzymanie przewodności cieplnej po przechowywaniu przez 3 miesiące w temperaturze pokojowej przy 56% wilgotności względnej. CTA jest lekki i ma gęstość 8 kg/m3; lżejszy niż większość dostępnych materiałów termoizolacyjnych. Nie ma wpływu na wodę, ponieważ jest niezwilżalny. Ponadto struktura mechaniczna CTA jest zachowana nawet po wielu cyklach uwalniania kompresu przy różnych obciążeniach.
Obecne badanie opisuje nowy aerożel z rurki węglowej – zainspirowany konstrukcją wydrążonych rurek z niedźwiedzia polarnego – który działa jak doskonały izolator termiczny. W porównaniu z innymi dostępnymi materiałami izolacyjnymi z aerożelu, ta konstrukcja z pustymi rurkami inspirowana niedźwiedziem polarnym jest lekka, bardziej odporna na przepływ ciepła, wodoodporna i nie ulega degradacji przez cały okres użytkowania.
Ulepszone i bardziej wydajne systemy izolacji termicznej dają nadzieję na oszczędność zużycia energii pierwotnej. Energia jest obecnie deficytowy energia koszty rosną. Jednym ze sposobów oszczędzania energii jest poprawa izolacji termicznej nieruchomości. Aerożele już dają duże nadzieje w wielu różnych tego typu zastosowaniach. Badanie to otwiera możliwości projektowania materiałów o wysokiej wydajności, które są lekkie, superelastyczne i izolujące termicznie do zastosowań w budynkach, przemyśle lotniczym, zwłaszcza w ekstremalnych środowiskach. Ze względu na ekstremalną rozciągliwość, jej atrakcyjność jest zwiększona w różnych zastosowaniach.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
Zhan, H i in. 2019. Biomimetyczny aerożel węglowy zapewnia super elastyczność i izolację termiczną. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
