Tiedemiehet ovat suunnitelleet luonnon inspiroiman hiili putki-airgel-lämpöeristysmateriaali, joka perustuu jääkarhun karvojen mikrorakenteeseen. Tämä kevyt, erittäin elastinen ja tehokkaampi lämmöneriste avaa uusia mahdollisuuksia energiatehokkaaseen rakennuseristykseen
Jääkarhu karva auttaa eläintä estämään lämpöhäviötä kylmissä ja kosteissa ilmasto-oloissa kylmässä napapiirissä. Jääkarhun karva on luonnostaan ontto, toisin kuin ihmisen hiukset tai muut nisäkkäät. Jokaisessa hiussäikeessä on pitkä, sylinterimäinen ydin, joka kulkee sen keskellä. Tämä muoto ja onteloiden välinen etäisyys antavat jääkarhun karvalle selkeän valkoisen turkin. Näillä onteloilla on monia ominaisuuksia, kuten poikkeuksellinen lämmönkesto, vedenpitävyys, elastisuus jne., mikä tekee niistä erittäin hyvän lämmöneristysmateriaalin. Ontot keskukset rajoittavat lämmön liikkumista ja tekevät jokaisesta säikeestä erittäin kevyen. Myös jääkarhun karvojen kostumattomuus pitää eläimen lämpimänä, kun se ui pakkasessa ja myös kosteissa olosuhteissa. Jääkarhunkarvat ovat siis erittäin hyvä malli synteettisten materiaalien suunnitteluun, joka eristää tehokkaasti lämpöä aivan kuten jääkarhunkarvat tekevät sen luonnollisesti.
Uudessa tutkimuksessa, joka julkaistiin 6. kesäkuuta chem, tiedemiehet ovat kehittäneet uuden eristeen, joka ottaa inspiraationsa yksittäisten jääkarhun karvojen mikrorakenteesta ja jäljittelee niitä ja saa siten kaikki sen ainutlaatuiset ominaisuudet. He valmistivat miljoonia superelastisia, kevyitä koverrettuja hiiliputkia, joista jokainen oli yhden hiussäikeen kokoinen, ja kiertyi ne aerogeelikappaleeksi. Suunnitteluprosessi aloitettiin ensin valmistamalla kaapelihydrogeeliä telluuri (Te) nanolangoista malliksi, joka päällystettiin hiilikuorella. Sitten he valmistivat hiiliputkiairgeelin (CTA) tästä hydrogeelistä kuivaamalla se ensin ja kalsinoimalla sen seuraavaksi argoninertissä ilmakehässä 900 °C:ssa Te-nanolankojen poistamiseksi. Tämä ainutlaatuinen muotoilu tekee CTA:sta erinomaisen lämmöneristeen ja myös luonteeltaan superelastisen, koska se palautuu 1434 mm/s nopeudella. Tämä on kaikkien aikojen nopein verrattuna kaikkiin perinteisiin elastisiin materiaaleihin. Kirjoittajat huomauttavat, että se on vielä joustavampi kuin jääkarhun karvat.
Hiiliputkien ontosta rakenteesta johtuen materiaalilla on erinomainen lämmönjohtavuus, joka on alhaisempi kuin kuivalla ilmalla, koska materiaalin sisähalkaisija on pienempi kuin vapaan ilman reitin. Materiaali osoitti pitkäikäisyyttä säilyttämällä lämmönjohtavuutensa sen jälkeen, kun sitä oli säilytetty 3 kuukautta huoneenlämmössä 56 %:n suhteellisessa kosteudessa. CTA on kevyt ja sen tiheys on 8 kg/m3; kevyempi kuin useimmat saatavilla olevat lämmöneristysmateriaalit. Vesi ei vaikuta siihen, koska se ei kostu. Myös CTA:n mekaaninen rakenne säilyy useiden puristus-vapautusjaksojen jälkeen eri rasituksilla.
Tässä tutkimuksessa kuvataan uutta hiiliputkiairgeeliä – jääkarhun karvan onton putken suunnittelusta inspiraationa – joka toimii erinomaisena lämmöneristeenä. Verrattuna muihin saatavilla oleviin aerogeelieristysmateriaaleihin, tämä jääkarhun inspiroima onttoputkirakenne on kevyt, kestää paremmin lämpövirtausta, vedenpitävä ja ei hajoa käyttöikänsä aikana.
Parannetut ja tehokkaammat lämmöneristysjärjestelmät lupaavat säästää primäärienergian kulutusta. energia on nyt pulaa jonkin aikaa energia kustannukset nousevat. Yksi tapa säästää energiaa on parantaa lämmöneristystä rakennukset. Aerogeelit ovat jo lupaavia monenlaisissa sovelluksissa. Tämä tutkimus avaa mahdollisuuksia suunnitella korkean suorituskyvyn materiaalia, joka on kevyt, erittäin elastinen ja lämpöä eristävä sovelluksiin rakennuksissa, ilmailuteollisuudessa erityisesti äärimmäisissä ympäristöissä. Äärimmäisen venytyskykynsä ansiosta sen vetovoima paranee erilaisissa sovelluksissa.
***
{Voit lukea alkuperäisen tutkimuspaperin napsauttamalla alla olevaa DOI-linkkiä lainattujen lähteiden luettelossa}
Lähteet)
Zhan, H et ai. 2019. Biomimetic Carbon Tube Airgel mahdollistaa erittäin elastisuuden ja lämpöeristyksen. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
