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
Lední medvěd 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 savců. 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 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.
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 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
