Ученые создали вдохновленный природой углерод трубчатый аэрогелевый теплоизоляционный материал на основе микроструктуры шерсти белого медведя. Этот легкий, высокоэластичный и более эффективный теплоизолятор открывает новые возможности для энергоэффективной изоляции зданий.
Полярный медведь шерсть помогает животному предотвратить потерю тепла в холодных и влажных климатических условиях холодного полярного круга. Волосы белого медведя по природе полые, в отличие от человеческих волос или других волос. млекопитающих. Каждая прядь волос имеет длинный цилиндрический стержень, проходящий через центр. Именно эта форма и расстояние между впадинами придает волосам белого медведя отчетливый белый окрас. Эти полости обладают множеством свойств, таких как исключительная теплоустойчивость, водостойкость, эластичность и т. д., что делает их очень хорошим теплоизоляционным материалом. Полые центры ограничивают движение тепла, в то же время делая каждую прядь чрезвычайно легкой. Кроме того, несмачиваемая природа шерсти белого медведя сохраняет тепло животного, когда оно плавает при минусовой температуре, а также во влажных условиях. Таким образом, шерсть белого медведя является очень хорошей моделью для разработки синтетических материалов, которые могут обеспечить эффективную изоляцию от тепла так же, как это делает естественная шерсть белого медведя.
В новом исследовании, опубликованном 6 июня в Chem, ученые разработали новый изолятор, вдохновленный микроструктурой отдельных волосков белого медведя и имитирующий микроструктуру волосков белого медведя, и, следовательно, приобретающий все его уникальные свойства. Они изготовили миллионы сверхэластичных, легких полых углеродных трубок, каждая размером с одну прядь волос, и скрутили их в блок аэрогеля. Процесс проектирования сначала начался с изготовления кабельного гидрогеля из нанопроволок теллура (Te) в виде шаблона, покрытого углеродной оболочкой. Затем они изготовили аэрогель с углеродной трубкой (CTA) из этого гидрогеля, сначала высушив его, а затем прокалив в инертной атмосфере аргона при 900 ° C для удаления нанопроволок Te. Эта уникальная конструкция делает CTA отличным теплоизолятором, а также сверхэластичным по своей природе, поскольку он отскакивает со скоростью 1434 мм / с. Это самый быстрый из когда-либо существовавших по сравнению со всеми обычными эластичными материалами. Авторы отмечают, что он даже эластичнее, чем шерсть белого медведя.
Благодаря полой структуре углеродных трубок, материал демонстрирует превосходную теплопроводность, которая ниже, чем у сухого воздуха, поскольку внутренний диаметр материала меньше, чем длина свободного пробега воздуха. Материал показал долговечность, сохранив свою теплопроводность после хранения в течение 3 месяцев при комнатной температуре и относительной влажности 56%. CTA легкий с плотностью 8 кг / м3; легче, чем большинство доступных теплоизоляционных материалов. На него не влияет вода, так как он не смачивается. Кроме того, механическая структура CTA сохраняется даже после многочисленных циклов сжатия-отпускания при различных деформациях.
В текущем исследовании описывается новый аэрогель с углеродной трубкой, вдохновленный конструкцией полой трубки из шерсти белого медведя, которая действует как отличный теплоизолятор. По сравнению с другими доступными изоляционными материалами из аэрогеля, эта конструкция из полых трубок, вдохновленная полярным медведем, легка по весу, более устойчива к тепловому потоку, водонепроницаема и не разрушается в течение всего срока службы.
Улучшенные и более эффективные системы теплоизоляции обещают экономию потребления первичной энергии. Энергия сейчас в дефиците, а энергетика затраты растут. Одним из способов экономии энергии является улучшение теплоизоляции помещений. зданий. Аэрогели уже демонстрируют большие перспективы для широкого спектра таких применений. Это исследование открывает возможности для разработки материалов с высокими эксплуатационными характеристиками, которые являются легкими, сверхэластичными и теплоизолирующими, для применения в зданиях, в аэрокосмической промышленности, особенно в экстремальных условиях. Из-за его исключительной способности к растяжению его привлекательность повышается для различных применений.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
Zhan, H et al. 2019. Биомиметический аэрогель с углеродной трубкой обеспечивает сверхэластичность и теплоизоляцию. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
