Учените са проектирали вдъхновен от природата въглероден тръбен аерогел термоизолационен материал, базиран на микроструктурата на косата на полярна мечка. Този лек, силно еластичен и по-ефективен топлоизолатор открива нови пътища за енергийно ефективна изолация на сгради
Полярна мечка косата помага на животното да предотврати загубата на топлина при студени и влажни климатични условия в студения арктически кръг. Косата на полярната мечка е естествено куха за разлика от човешката коса или други бозайници. Всяка нишка коса има дълга, цилиндрична сърцевина, минаваща през центъра. Именно тази форма и разстоянието на кухините придава на косата на полярната мечка отчетливата бяла козина. Тези кухини имат множество свойства като изключително задържане на топлина, водоустойчивост, еластичност и др., което ги прави много добър топлоизолационен материал. Кухите центрове ограничават движението на топлината, като същевременно правят всяка нишка изключително лека от гледна точка на дизайна. Също така, ненамокрящият се характер на косата на полярната мечка поддържа животното топло, когато плува при минусови температури, а също и при влажни условия. Поради това косата на полярната мечка е много добър модел за проектиране на синтетични материали, които могат да осигурят ефективна изолация от топлина, точно както косата на полярната мечка го прави естествено.
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.
Подобрените и по-ефективни топлоизолационни системи са обещаващи за запазване на потреблението на първична енергия. Енергия сега е в недостиг, докато енергия разходите ескалират. Един от начините за пестене на енергия е подобряването на топлоизолацията на 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
