Forskere har designet en naturinspirert karbon tube aerogel termisk isolerende materiale basert på mikrostrukturen til isbjørnhår. Denne lette, høyelastiske og mer effektive varmeisolatoren åpner nye veier for energieffektiv bygningsisolasjon
Isbjørn hår hjelper dyret å forhindre varmetap under kalde og fuktige klimatiske forhold i den iskalde polarsirkelen. Isbjørnhår er naturlig hult i motsetning til menneskehår eller annet pattedyr. Hver hårstrå har en lang, sylindrisk kjerne som går gjennom midten. Det er denne formen og avstanden mellom hulrommene som gir isbjørnhår den distinkte hvite pelsen. Disse hulrommene har en rekke egenskaper som eksepsjonell varmeholding, vannmotstand, elastisitet etc. som gjør dem til et meget godt termisk isolasjonsmateriale. De hule sentrene begrenser varmebevegelsen samtidig som de designmessig gjør hver tråd ekstremt lett. Også den ikke-fuktbare naturen til isbjørnhår holder dyret varme når de svømmer i minusgrader og også under fuktige forhold. Isbjørnhår er dermed en veldig god modell for å designe syntetiske materialer som kan gi effektiv varmeisolasjon akkurat som isbjørnhår gjør det naturlig.
I en ny studie publisert 6. juni i Chem, har forskere utviklet en ny isolator som henter inspirasjon fra og etterligner mikrostrukturen til individuelle isbjørnhår og får dermed alle dens unike egenskaper. De produserte millioner av superelastiske, lette, uthulede karbonrør, hver på størrelse med en enkelt hårstrå og viklet disse til en aerogelblokk. Designprosessen startet først med å lage kabelhydrogel fra tellur (Te) nanotråder som en mal som ble belagt med et karbonskall. Deretter fremstilte de en karbonrør-aerogel (CTA) fra denne hydrogelen ved først å tørke den og deretter kalsinere den i en argon-inert atmosfære ved 900 ° C for å fjerne Te nanotråder. Denne unike designen gjør CTA til en utmerket termisk isolator og også superelastisk ettersom den spretter tilbake med en hastighet på 1434 mm/s. Dette er den raskeste noensinne sammenlignet med alle konvensjonelle elastiske materialer. Forfattere påpeker at det er enda mer elastisk enn isbjørnhår.
På grunn av den hule strukturen til karbonrør, viser materialet utmerket varmeledningsevne som er lavere enn tørr luft på grunn av at materialets indre diameter er mindre enn luftens frie bane. Materialet viste lang levetid ved å opprettholde sin termiske ledningsevne etter å ha vært lagret i 3 måneder ved romtemperatur med 56 % relativ fuktighet. CTA er lett med en tetthet på 8 kg/m3; lettere enn de fleste tilgjengelige termiske isolatormaterialer. Den blir ikke påvirket av vann da den ikke er fuktbar. Dessuten opprettholdes den mekaniske strukturen til CTA selv etter mange kompress-frigjøringssykluser ved forskjellige belastninger.
Den nåværende studien beskriver en ny aerogel i karbonrør – inspirert av isbjørnhårets hule rørdesign – som fungerer som en utmerket termisk isolator. Sammenlignet med andre tilgjengelige aerogel-isolasjonsmaterialer, er denne isbjørn-inspirerte hule rørdesignen lett i vekt, mer motstandsdyktig mot varmestrøm, vanntett og brytes ikke ned i løpet av levetiden.
Forbedrede og mer effektive termiske isolasjonssystemer lover å spare primærenergiforbruk. Energi er nå mangelvare mens energi kostnadene eskalerer. En av måtene å spare energi på er å forbedre termisk isolasjon av bygninger. Aerogeler viser allerede store løfter for et bredt utvalg av slike applikasjoner. Denne studien åpner muligheter for å designe høyytelsesmateriale som er lett, superelastisk og termisk isolerende for bruk i bygninger, romfartsindustrien, spesielt i ekstreme miljøer. På grunn av sin ekstreme strekkevne, er dens appell forbedret for ulike bruksområder.
***
{Du kan lese den originale forskningsoppgaven ved å klikke på DOI-lenken nedenfor i listen over siterte kilder}
Source (s)
Zhan, H et al. 2019. Biomimetisk karbonrør aerogel muliggjør superelastisitet og termisk isolasjon. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
