Scientists have designed a nature-inspired uhlík 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
Ľadový medveď 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 cicavce. 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.
V novej štúdii zverejnenej 6. júna ChemVedci vyvinuli nový izolátor, ktorý sa inšpiruje a napodobňuje mikroštruktúru jednotlivých chlpov ľadových medveďov, a tak získava všetky jeho jedinečné vlastnosti. Vyrobili milióny superelastických, ľahkých dutých uhlíkových trubíc, z ktorých každá má veľkosť jedného prameňa vlasov, a zvili ich do bloku aerogélu. Proces navrhovania najprv začal výrobou káblového hydrogélu z telúrových (Te) nanodrôtov ako šablóny, ktorá bola potiahnutá uhlíkovým plášťom. Potom z tohto hydrogélu vyrobili aerogél s uhlíkovou trubicou (CTA) tak, že ho najskôr vysušili a potom ho kalcinovali v atmosfére inertnej argónu pri 900 °C, aby sa odstránili nanovlákna Te. Tento jedinečný dizajn robí CTA vynikajúcim tepelným izolantom a tiež superelastickým charakterom, pretože sa odráža rýchlosťou 1434 mm/s. Toto je najrýchlejšie v porovnaní so všetkými bežnými elastickými materiálmi. Autori poukazujú na to, že sú ešte pružnejšie ako vlasy ľadových medveďov.
Vďaka dutej štruktúre uhlíkových trubíc má materiál vynikajúcu tepelnú vodivosť, ktorá je nižšia ako u suchého vzduchu, pretože vnútorný priemer materiálu je menší ako voľná dráha vzduchu. Materiál vykazoval dlhú životnosť zachovaním svojej tepelnej vodivosti po 3 mesiacoch skladovania pri izbovej teplote s 56% relatívnou vlhkosťou. CTA je ľahký s hustotou 8 kg/m3; ľahšie ako väčšina dostupných tepelnoizolačných materiálov. Nie je ovplyvnený vodou, pretože je nezmáčateľný. Mechanická štruktúra CTA je tiež zachovaná aj po mnohých cykloch kompresie a uvoľnenia pri rôznych napätiach.
Súčasná štúdia popisuje nový aerogél z uhlíkovej trubice – inšpirovaný dizajnom dutej trubice z vlasov ľadových medveďov – ktorý pôsobí ako vynikajúci tepelný izolátor. V porovnaní s inými dostupnými aerogélovými izolačnými materiálmi je tento dizajn dutých trubíc inšpirovaný ľadovým medveďom ľahký, odolnejší voči tepelnému toku, vodeodolný a počas svojej životnosti nedegraduje.
Improved and more efficient thermal insulation systems hold promise for conserving primary energy consumption. energie is now in short supply while energie costs are escalating. One of the ways to conserve energy is to improve thermal insulation of stavby. Aerogély sú už veľmi sľubné pre širokú škálu takýchto aplikácií. Táto štúdia otvára možnosti pre navrhovanie vysoko výkonného materiálu, ktorý je ľahký, super elastický a tepelne izolujúci pre aplikácie v budovách, leteckom priemysle, najmä v extrémnych prostrediach. Vďaka svojej extrémnej naťahovacej schopnosti sa jej príťažlivosť zvyšuje pre rôzne aplikácie.
***
{Pôvodný výskumný dokument si môžete prečítať kliknutím na odkaz DOI uvedený nižšie v zozname citovaných zdrojov}
Zdroj (e)
Zhan, H a kol. 2019. Biomimetický aerogél z uhlíkovej trubice umožňuje superelasticitu a tepelnú izoláciu. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
