Вчені створили дизайн, натхненний природою вуглець трубчастий аерогелевий теплоізоляційний матеріал на основі мікроструктури волосся білого ведмедя. Цей легкий, високоеластичний і більш ефективний теплоізолятор відкриває нові можливості для енергоефективної ізоляції будівель
Полярний ведмідь шерсть допомагає тварині запобігти втраті тепла в холодних і вологих кліматичних умовах холодного полярного кола. Волосся білого ведмедя від природи порожнє, на відміну від людського чи іншого волосся ссавці. Кожне пасмо волосся має довгу циліндричну серцевину, що проходить через її центр. Саме ця форма та відстань між порожнинами надає волоссю білого ведмедя виразну білу шерсть. Ці порожнини мають безліч властивостей, таких як виняткове утримання тепла, водонепроникність, еластичність тощо, що робить їх дуже хорошим теплоізоляційним матеріалом. Порожнисті центри обмежують рух тепла, а з точки зору дизайну роблять кожну нитку надзвичайно легкою. Крім того, незмочувана природа шерсті білого ведмедя зберігає тварину в теплі, коли вони плавають при мінусовій температурі, а також у вологих умовах. Таким чином, шерсть білого ведмедя є дуже хорошою моделлю для розробки синтетичних матеріалів, які можуть забезпечити ефективну ізоляцію від тепла так само, як шерсть білого ведмедя робить це природним чином.
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.
Покращені та більш ефективні системи теплоізоляції є перспективними для збереження споживання первинної енергії. енергія в даний час в дефіциті енергія витрати зростають. Одним із способів енергозбереження є покращення теплоізоляції 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
