Ученые разработали теплоизоляционный материал на основе аэрогеля из углеродных трубок, вдохновленный микроструктурой шерсти полярного медведя. Этот легкий, высокоэластичный и более эффективный теплоизолятор открывает новые возможности для энергоэффективной теплоизоляции зданий.
Шерсть полярного медведя помогает животному предотвращать потерю тепла в холодных и влажных климатических условиях сурового арктического круга. В отличие от человеческой или шерсти других млекопитающих , шерсть полярного медведя от природы полая . Каждая прядь волоса имеет длинное цилиндрическое ядро, проходящее через её центр. Именно эта форма и расстояние между полостями придают шерсти полярного медведя характерный белый цвет. Эти полости обладают множеством свойств, таких как исключительная теплоизоляция, водостойкость, эластичность и т. д., что делает их очень хорошим теплоизоляционным материалом. Полые центры ограничивают передачу тепла, а конструкция делает каждую прядь чрезвычайно лёгкой. Кроме того, несмачиваемая природа шерсти полярного медведя сохраняет тепло животного при плавании при минусовых температурах и во влажных условиях. Таким образом, шерсть полярного медведя является очень хорошей моделью для разработки синтетических материалов, которые могут обеспечивать эффективную теплоизоляцию, подобно тому, как это делает шерсть полярного медведя от природы.
В новом исследовании, опубликованном 6 июня в журнале Chem , ученые разработали новый изолятор, вдохновленный микроструктурой отдельных волосков полярного медведя и имитирующий ее, благодаря чему он приобрел все ее уникальные свойства. Они изготовили миллионы сверхэластичных, легких полых углеродных трубок, каждая размером с один волосок, и свернули их в блок аэрогеля. Процесс проектирования начался с создания гидрогеля для кабелей из нанопроволок теллура (Te) в качестве шаблона, покрытого углеродной оболочкой. Затем из этого гидрогеля был изготовлен аэрогель из углеродных трубок (CTA) путем предварительной сушки и последующего прокаливания в инертной атмосфере аргона при 900 °C для удаления нанопроволок Te. Эта уникальная конструкция делает CTA превосходным теплоизолятором, а также сверхэластичным материалом, поскольку он восстанавливает свою форму со скоростью 1434 мм/с. Это самый быстрый показатель среди всех обычных эластичных материалов. Авторы отмечают, что он даже более эластичен, чем волос полярного 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.
Усовершенствованные и более эффективные системы теплоизоляции открывают перспективы для экономии первичной энергии. В настоящее время энергия находится в дефиците, а затраты на нее растут. Один из способов экономии энергии — улучшение теплоизоляции зданий . Аэрогели уже демонстрируют большие перспективы для широкого спектра таких применений. Данное исследование открывает возможности для разработки высокоэффективных материалов, которые являются легкими, сверхэластичными и обладают теплоизоляционными свойствами, для применения в зданиях, аэрокосмической промышленности, особенно в экстремальных условиях. Благодаря своей исключительной эластичности, они становятся все более привлекательными для различных применений.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
Чжан, Х. и др. 2019. Биомиметический аэрогель из углеродных трубок обеспечивает сверхэластичность и теплоизоляцию. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
