Znanstveniki so oblikovali naravo ogljika cevni aerogel toplotnoizolacijski material, ki temelji na mikrostrukturi dlake polarnega medveda. Ta lahek, zelo elastičen in učinkovitejši toplotni izolator odpira nove poti za energetsko učinkovito izolacijo stavb
Polarni medved dlaka pomaga živali preprečevati izgubo toplote v hladnih in vlažnih podnebnih razmerah v hladnem polarnem krogu. Dlaka polarnega medveda je naravno votla za razliko od človeških las ali drugih sesalci. Vsak pramen las ima dolgo valjasto jedro, ki teče skozi njegovo sredino. Prav ta oblika in razmik med votlinami daje dlaki polarnega medveda izrazito belo dlako. Te votline imajo številne lastnosti, kot so izjemno zadrževanje toplote, vodoodpornost, elastičnost itd., zaradi česar so zelo dober toplotnoizolacijski material. Votla središča omejujejo gibanje toplote, medtem ko oblikovno naredijo vsak pramen izjemno lahek. Tudi dlake polarnega medveda, ki jih ni mogoče zmočiti, ohranjajo žival toplo, ko plavajo pri temperaturah pod ničlo in tudi v vlažnih razmerah. Dlaka polarnega medveda je tako zelo dober model za oblikovanje sintetičnih materialov, ki lahko zagotovijo učinkovito izolacijo pred toploto, tako kot dlaka polarnega medveda to počne naravno.
V novi študiji, objavljeni 6. junija v Chem, so znanstveniki razvili nov izolator, ki se navdihuje in posnema mikrostrukturo posameznih dlak polarnega medveda ter tako pridobi vse svoje edinstvene lastnosti. Izdelali so na milijone superelastičnih, lahkih izdolbenih ogljikovih cevi, vsaka v velikosti enega lasnega pramena, in jih zvili v blok aerogela. Postopek oblikovanja se je najprej začel z izdelavo kabelskega hidrogela iz telurijevih (Te) nanožic kot predloge, ki je bila prevlečena z ogljikovo lupino. Nato so iz tega hidrogela izdelali aerogel iz ogljikove cevi (CTA), tako da so ga najprej posušili in nato kalcinirali v inertni atmosferi argona pri 900 °C, da so odstranili Te nanožice. Zaradi tega edinstvenega dizajna je CTA odličen toplotni izolator in tudi superelastičen po naravi, saj se odbije s hitrostjo 1434 mm/s. To je najhitrejši doslej v primerjavi z vsemi običajnimi elastičnimi materiali. Avtorji poudarjajo, da je še bolj elastična od dlake polarnega medveda.
Zaradi votle strukture ogljikovih cevi ima material odlično toplotno prevodnost, ki je nižja kot pri suhem zraku, saj je notranji premer materiala manjši od proste poti zraka. Material je pokazal dolgo življenjsko dobo, saj je ohranil svojo toplotno prevodnost po 3 mesecih skladiščenja pri sobni temperaturi s 56 % relativne vlažnosti. CTA je lahek z gostoto 8 kg/m3; lažji od večine razpoložljivih toplotnoizolacijskih materialov. Voda ne vpliva nanj, saj se ne zmoči. Prav tako se mehanska struktura CTA ohranja tudi po številnih ciklih stiskanja in sproščanja pri različnih obremenitvah.
Trenutna študija opisuje nov aerogel iz ogljikove cevi – navdihnjen z zasnovo votle cevi dlake polarnega medveda – ki deluje kot odličen toplotni izolator. V primerjavi z drugimi razpoložljivimi izolacijskimi materiali iz aerogela je ta zasnova votlih cevi, ki jih navdihuje polarni medved, lahka, bolj odporna na toplotni tok, vodoodporna in se v svoji življenjski dobi ne razgradi.
Izboljšani in učinkovitejši sistemi toplotne izolacije obetajo varčevanje s porabo primarne energije. Energija zdaj primanjkuje, medtem ko energija stroški se stopnjujejo. Eden od načinov varčevanja z energijo je izboljšanje toplotne izolacije zgradbe. Aerogeli že kažejo veliko obetavnost za najrazličnejše tovrstne aplikacije. Ta študija odpira možnosti za oblikovanje visoko zmogljivega materiala, ki je lahek, superelastičen in toplotno izolacijski za uporabo v zgradbah, vesoljski industriji, zlasti v ekstremnih okoljih. Zaradi izjemne raztezne sposobnosti je njegova privlačnost povečana za različne aplikacije.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
Zhan, H et al. 2019. Biomimetični ogljikov cevni aerogel omogoča super elastičnost in toplotno izolacijo. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
