Ученые разработали природный теплоизоляционный материал из аэрогеля из углеродной трубки, основанный на микроструктуре 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 за холодным полярным кругом. Волосы белого медведя от природы полые, в отличие от волос человека или других млекопитающих. Каждая прядь волос имеет длинную цилиндрическую сердцевину, проходящую через ее центр. Именно эта форма и расстояние между полостями придают шерсти белого медведя отчетливый белый цвет. Эти полости обладают множеством свойств, таких как исключительная теплоизоляция, водостойкость, эластичность и т. Д., Что делает их очень хорошим теплоизолирующим материалом. Полые центры ограничивают движение тепла, а дизайн делает каждую прядь чрезвычайно легкой. Кроме того, несмачиваемая природа шерсти белого медведя согревает животное, когда оно плавает при минусовых температурах, а также во влажных условиях. Таким образом, шерсть белого медведя является очень хорошей моделью для создания синтетических материалов, которые могут обеспечить эффективную изоляцию от тепла, как это делает шерсть белого медведя естественным образом.
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 снизить потребление первичной энергии. Энергии сейчас не хватает, а затраты на электроэнергию растут. Один из способов экономии энергии - улучшение теплоизоляции 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
