Scientists have designed a nature-inspired въглероден 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
Полярна мечка 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 бозайници. 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.
В ново проучване, публикувано на 6 юни в Chem, учените са разработили нов изолатор, черпейки вдъхновение от и имитирайки микроструктурата на отделните косми на полярна мечка и по този начин придобивайки всичките му уникални свойства. Те изработиха милиони супереластични, леки въглеродни тръби с размери на един кичур коса и ги навиха в блок от аерогел. Процесът на проектиране първо започна с направата на кабелен хидрогел от телур (Te) нанопроводници като шаблон, който беше покрит с въглеродна обвивка. След това те изработиха аерогел от въглеродна тръба (CTA) от този хидрогел, като първо го изсушиха и след това го калцинираха в инертна атмосфера на аргон при 900 ° C, за да отстранят Te нанопроводниците. Този уникален дизайн прави CTA отличен топлоизолатор, а също и супереластичен по природа, тъй като се отскача със скорост от 1434 mm/s. Това е най-бързото в сравнение с всички конвенционални еластични материали. Авторите посочват, че той е дори по-еластичен от косата на полярна мечка.
Поради кухата структура на въглеродните тръби, материалът показва отлична топлопроводимост, която е по-ниска от тази на сухия въздух поради вътрешния диаметър на материала, който е по-малък от свободния път на въздуха. Материалът показа дълготрайност, като запази топлопроводимостта си след съхранение в продължение на 3 месеца при стайна температура с 56% относителна влажност. CTA е лек с плътност 8 kg/m3; по-лек от повечето налични топлоизолационни материали. Не се влияе от водата, тъй като не се намокря. Също така, механичната структура на CTA се поддържа дори след многобройни цикли на компресиране-освобождаване при различни деформации.
Настоящото проучване описва нов аерогел от въглеродна тръба – вдъхновен от дизайна на кухата тръба на косата на полярна мечка – който действа като отличен топлоизолатор. В сравнение с други налични изолационни материали от аерогел, този дизайн с куха тръба, вдъхновен от полярна мечка, е лек, по-устойчив на топлинен поток, водоустойчив и не се разгражда през целия си живот.
Improved and more efficient thermal insulation systems hold promise for conserving primary energy consumption. Енергия is now in short supply while енергия costs are escalating. One of the ways to conserve energy is to improve thermal insulation of сгради. Аерогелите вече са много обещаващи за голямо разнообразие от такива приложения. Това проучване разкрива възможности за проектиране на високопроизводителен материал, който е лек, супереластичен и топлоизолиращ за приложения в сгради, аерокосмическа индустрия, особено в екстремни среди. Поради изключителната си способност за разтягане, неговата привлекателност е подобрена за различни приложения.
***
{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}
Източник (и)
Zhan, H et al. 2019. Биомиметичен въглероден тръбен аерогел дава възможност за супер-еластичност и топлоизолация. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
