Οι επιστήμονες έχουν σχεδιάσει ένα θερμομονωτικό υλικό αερογέλης από σωλήνα άνθρακα, εμπνευσμένο από τη φύση, βασισμένο στη μικροδομή των τριχών της πολικής αρκούδας. Αυτός ο ελαφρύς, εξαιρετικά ελαστικός και πιο αποτελεσματικός μονωτήρας θερμότητας ανοίγει νέους δρόμους για ενεργειακά αποδοτική μόνωση κτιρίου
Πολική αρκούδα Τα μαλλιά βοηθούν το ζώο να αποτρέψει την απώλεια θερμότητας σε ψυχρές και υγρές κλιματικές συνθήκες στον παγωμένο αρκτικό κύκλο. Τα μαλλιά της πολικής αρκούδας είναι φυσικά κούφια σε αντίθεση με τα ανθρώπινα μαλλιά ή άλλα θηλαστικά. Κάθε τρίχα έχει έναν μακρύ, κυλινδρικό πυρήνα που διατρέχει το κέντρο του. Αυτό το σχήμα και η απόσταση των κοιλοτήτων είναι που δίνει στα μαλλιά της πολικής αρκούδας το ξεχωριστό λευκό τρίχωμα. Αυτές οι κοιλότητες έχουν πολλές ιδιότητες όπως εξαιρετική συγκράτηση στη θερμότητα, αντοχή στο νερό, ελαστικότητα κ.λπ. που τις καθιστά ένα πολύ καλό θερμομονωτικό υλικό. Τα κούφια κέντρα περιορίζουν την κίνηση της θερμότητας ενώ σχεδιαστικά καθιστούν κάθε σκέλος εξαιρετικά ελαφρύ. Επίσης, η μη βρέξιμη φύση των τριχών της πολικής αρκούδας κρατά το ζώο ζεστό όταν κολυμπά σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν και επίσης υπό συνθήκες υγρασίας. Τα μαλλιά της πολικής αρκούδας είναι επομένως ένα πολύ καλό μοντέλο για το σχεδιασμό συνθετικών υλικών που μπορούν να παρέχουν αποτελεσματική μόνωση από τη θερμότητα, όπως το κάνουν φυσικά τα μαλλιά της πολικής αρκούδας.
Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 6 Ιουνίου στο Chem, οι επιστήμονες ανέπτυξαν έναν νέο μονωτή που εμπνέεται και μιμείται τη μικροδομή μεμονωμένων τριχών της πολικής αρκούδας και ως εκ τούτου αποκτά όλες τις μοναδικές του ιδιότητες. Κατασκεύασαν εκατομμύρια υπερ-ελαστικούς, ελαφριούς σωλήνες άνθρακα, ο καθένας στο μέγεθος ενός μόνο κλωστή τρίχας και τους τύλιξε σε ένα μπλοκ αερογέλης. Η διαδικασία σχεδιασμού ξεκίνησε αρχικά με την κατασκευή καλωδιακής υδρογέλης από νανοσύρματα τελλουρίου (Te) ως πρότυπο το οποίο ήταν επικαλυμμένο με ένα κέλυφος άνθρακα. Στη συνέχεια κατασκεύασαν ένα αερογέλη σωλήνων άνθρακα (CTA) από αυτό το υδρογέλη στεγνώνοντάς το και στη συνέχεια φρύζοντάς το σε αδρανή ατμόσφαιρα αργού στους 900 °C για να αφαιρέσουν τα νανοσύρματα Te. Αυτός ο μοναδικός σχεδιασμός κάνει το CTA έναν εξαιρετικό θερμομονωτικό και επίσης εξαιρετικά ελαστικό χαρακτήρα καθώς αναπηδά με ταχύτητα 1434 mm/s. Αυτό είναι το πιο γρήγορο σε σύγκριση με όλα τα συμβατικά ελαστικά υλικά. Οι συγγραφείς επισημαίνουν ότι είναι ακόμα πιο ελαστικό από τα μαλλιά της πολικής αρκούδας.
Λόγω της κοίλης δομής των σωλήνων άνθρακα, το υλικό παρουσιάζει εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, η οποία είναι χαμηλότερη από αυτή του ξηρού αέρα, λόγω του ότι η εσωτερική διάμετρος του υλικού είναι μικρότερη από την ελεύθερη διαδρομή του αέρα. Το υλικό έδειξε μακροζωία διατηρώντας τη θερμική του αγωγιμότητα αφού αποθηκευτεί για 3 μήνες σε θερμοκρασία δωματίου με σχετική υγρασία 56%. Το CTA είναι ελαφρύ με πυκνότητα 8 kg/m3. ελαφρύτερο από τα περισσότερα διαθέσιμα θερμομονωτικά υλικά. Δεν επηρεάζεται από το νερό καθώς είναι μη βρέξιμο. Επίσης, η μηχανική δομή του CTA διατηρείται ακόμη και μετά από πολυάριθμους κύκλους συμπίεσης-απελευθέρωσης σε διαφορετικά στελέχη.
Η τρέχουσα μελέτη περιγράφει ένα νέο αερογέλη από σωλήνα άνθρακα – εμπνευσμένο από το σχέδιο κούφιου σωλήνα της τρίχας της πολικής αρκούδας – το οποίο λειτουργεί ως εξαιρετικός θερμικός μονωτήρας. Σε σύγκριση με άλλα διαθέσιμα υλικά μόνωσης αερογέλης, αυτή η σχεδίαση κοίλου σωλήνα εμπνευσμένη από πολική αρκούδα είναι ελαφρύ σε βάρος, πιο ανθεκτικό στη ροή θερμότητας, αδιάβροχο και δεν αλλοιώνεται κατά τη διάρκεια της ζωής του.
Τα βελτιωμένα και πιο αποτελεσματικά συστήματα θερμομόνωσης υπόσχονται εξοικονόμηση πρωτογενούς κατανάλωσης ενέργειας. Η ενέργεια είναι πλέον σε έλλειψη ενώ το κόστος ενέργειας κλιμακώνεται. Ένας από τους τρόπους εξοικονόμησης ενέργειας είναι η βελτίωση της θερμομόνωσης του κτίρια. Τα αεροτζελ υπόσχονται ήδη μεγάλη ποικιλία τέτοιων εφαρμογών. Αυτή η μελέτη ανοίγει δρόμους για το σχεδιασμό υλικού υψηλής απόδοσης που είναι ελαφρύ, υπερελαστικό και θερμομονωτικό για εφαρμογές σε κτίρια, αεροδιαστημική βιομηχανία ειδικά σε ακραία περιβάλλοντα. Λόγω της εξαιρετικής του ικανότητας τεντώματος, η ελκυστικότητά του ενισχύεται για διάφορες εφαρμογές.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
Zhan, Η et αϊ. 2019. Το Biomimetic Carbon Tube Airgel επιτρέπει την υπερ-ελαστικότητα και τη θερμομόνωση. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
