Scientists have designed a nature-inspired вуглець tube aerogel thermal insulating material based upon the microstructure of polar bear hair. This lightweight, highly-elastic and more efficient heat insulator opens up new avenues for energy-efficient building insulation
Полярний ведмідь hair helps the animal to prevent heat loss in cold and humid climatic conditions in the frigid Arctic circle. Polar bear hair is naturally hollow unlike human hair or other ссавці. Each hair strand has a long, cylindrical core running through its center. It is this shape and spacing of the cavities which gives polar bear hair the distinct white coat. These cavities have multitude of properties like exceptional heat-holding, water resistance, elasticity etc. which makes them a very good thermal insulator material. The hollow centers restrict movement of heat while design-wise making every strand extremely lightweight. Also, the non-wettable nature of polar bear hair keeps the animal warm when they are swimming in sub-zero temperatures and also under humid conditions. Polar bear hair is thus a very good model for designing synthetic materials which can provide efficient insulation from heat just like polar bear hair does it naturally.
У новому дослідженні, опублікованому 6 червня в Chem, вчені розробили новий ізолятор, який черпає натхнення та імітує мікроструктуру окремих волосків білого ведмедя і, отже, отримує всі його унікальні властивості. Вони виготовили мільйони наделастичних, легких поглиблених вуглецевих трубок, кожна розміром з одну пасмо волосся, і змотали їх у блок аерогелю. Процес проектування вперше розпочався з виготовлення кабельного гідрогелю з нанопроводів телуру (Te) як шаблону, який був покритий вуглецевой оболонкою. Потім вони виготовили з цього гідрогелю вуглецевий трубчастий аерогель (CTA), спочатку висушивши його, а потім прожаривши в інертній атмосфері аргону при 900 °C, щоб видалити нанодроти Te. Цей унікальний дизайн робить CTA чудовим теплоізолятором, а також супереластичним за своєю природою, оскільки він відскакує зі швидкістю 1434 мм/с. Це найшвидший з усіх звичайних еластичних матеріалів. Автори відзначають, що він навіть більш еластичний, ніж шерсть білого ведмедя.
Через порожнисту структуру вуглецевих труб цей матеріал має чудову теплопровідність, яка нижча, ніж у сухого повітря, оскільки внутрішній діаметр матеріалу менший, ніж вільний пробіг повітря. Матеріал показав довговічність, зберігаючи свою теплопровідність після 3 місяців зберігання при кімнатній температурі з відносною вологістю 56%. CTA легка з щільністю 8 кг/м3; легше більшості доступних теплоізоляційних матеріалів. Він не піддається впливу води, оскільки не змочується. Крім того, механічна структура CTA зберігається навіть після численних циклів стиснення-відпускання при різних деформаціях.
Нинішнє дослідження описує новий аерогель з вуглецевої трубки, натхненний дизайном порожнистої трубки шерсті білого ведмедя, який діє як чудовий теплоізолятор. У порівнянні з іншими доступними аерогелевими ізоляційними матеріалами, ця конструкція з порожнистими трубами, натхненна полярними ведмедями, має легку вагу, більш стійку до теплового потоку, водонепроникність і не руйнується протягом терміну служби.
Improved and more efficient thermal insulation systems hold promise for conserving primary energy consumption. енергія is now in short supply while енергія costs are escalating. One of the ways to conserve energy is to improve thermal insulation of будівель. Аерогелі вже демонструють великі перспективи для широкого спектру таких застосувань. Це дослідження відкриває шляхи до розробки високоякісного матеріалу, який є легкою, наделастичним і теплоізоляційним для застосування в будівлях, аерокосмічній промисловості, особливо в екстремальних умовах. Завдяки його надзвичайної здатності до розтягування, його привабливість покращується для різних застосувань.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
Zhan, H та ін. 2019. Біоміметичний вуглецевий аерогель забезпечує наделастичність та теплоізоляцію. хім. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
