Vědci navrhli přírodou inspirovaný uhlík trubicový aerogelový tepelně izolační materiál založený na mikrostruktuře vlasů ledních medvědů. Tento lehký, vysoce elastický a účinnější tepelný izolátor otevírá nové cesty pro energeticky účinnou izolaci budov
Lední medvěd srst pomáhá zvířeti předcházet tepelným ztrátám v chladných a vlhkých klimatických podmínkách v chladném polárním kruhu. Vlasy ledních medvědů jsou přirozeně duté na rozdíl od lidských vlasů nebo jiných savců. Každý pramen vlasů má dlouhé, válcovité jádro procházející jeho středem. Právě tento tvar a rozmístění dutin dává srsti ledních medvědů zřetelnou bílou srst. Tyto dutiny mají mnoho vlastností, jako je mimořádná tepelná odolnost, voděodolnost, elasticita atd., což z nich dělá velmi dobrý tepelně izolační materiál. Duté středy omezují pohyb tepla a zároveň činí každý pramen extrémně lehký. Nesmáčivá povaha srsti ledních medvědů také udržuje zvířata v teple, když plavou při teplotách pod nulou a také ve vlhkých podmínkách. Vlasy ledních medvědů jsou tak velmi dobrým modelem pro navrhování syntetických materiálů, které dokážou poskytnout účinnou izolaci před teplem stejně jako vlasy ledních medvědů přirozeně.
V nové studii zveřejněné 6. června v ChemVědci vyvinuli nový izolátor, který se inspiruje a napodobuje mikrostrukturu jednotlivých chlupů ledních medvědů, a tak získává všechny jeho jedinečné vlastnosti. Vyrobili miliony superelastických, lehkých dutých uhlíkových trubiček, každá o velikosti jednoho pramene vlasů, a navinuli je do bloku aerogelu. Proces návrhu nejprve začal výrobou kabelového hydrogelu z telurových (Te) nanodrátů jako šablony, která byla potažena uhlíkovým pláštěm. Poté z tohoto hydrogelu vyrobili aerogel s uhlíkovou trubicí (CTA) tak, že jej nejprve vysušili a následně kalcinovali v inertní atmosféře argonu při 900 °C, aby se odstranily nanodrátky Te. Tento jedinečný design dělá z CTA vynikající tepelný izolant a také superelastický charakter, protože se odrážejí rychlostí 1434 mm/s. To je vůbec nejrychlejší ve srovnání se všemi konvenčními elastickými materiály. Autoři poukazují na to, že je ještě pružnější než vlasy ledního medvěda.
Díky duté struktuře uhlíkových trubek vykazuje materiál vynikající tepelnou vodivost, která je nižší než u suchého vzduchu, protože vnitřní průměr materiálu je menší než volná dráha vzduchu. Materiál vykazoval dlouhou životnost tím, že si zachoval svou tepelnou vodivost po skladování po dobu 3 měsíců při pokojové teplotě s 56% relativní vlhkostí. CTA je lehký s hustotou 8 kg/m3; lehčí než většina dostupných tepelně izolačních materiálů. Není ovlivněn vodou, protože je nesmáčivý. Také mechanická struktura CTA je zachována i po četných cyklech stlačení-uvolnění při různých deformacích.
Současná studie popisuje nový uhlíkový trubicový aerogel – inspirovaný designem duté trubice vlasů ledních medvědů – který funguje jako vynikající tepelný izolátor. Ve srovnání s jinými dostupnými aerogelovými izolačními materiály je tato dutá trubka inspirovaná ledním medvědem lehká, odolnější vůči proudění tepla, vodotěsná a během své životnosti nedegraduje.
Vylepšené a účinnější zateplovací systémy slibují úsporu primární spotřeby energie. Energie je nyní nedostatek energie náklady eskalují. Jedním ze způsobů, jak ušetřit energii, je zlepšit tepelnou izolaci projektů a staveb. Aerogely jsou již velmi slibné pro širokou škálu takových aplikací. Tato studie otevírá cesty k navrhování vysoce výkonného materiálu, který je lehký, superelastický a tepelně izolující pro aplikace v budovách, leteckém průmyslu, zejména v extrémních prostředích. Díky své extrémní roztažnosti je její přitažlivost vylepšena pro různé aplikace.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
Zhan, H a kol. 2019. Biomimetický uhlíkový trubicový aerogel umožňuje superelasticitu a tepelnou izolaci. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
