Scientists have designed a nature-inspired kol 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
Isbjörn 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 däggdjur. 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.
I en ny studie publicerad den 6 juni i chem, har forskare utvecklat en ny isolator som hämtar inspiration från och efterliknar mikrostrukturen hos individuella isbjörnshår och därmed förvärvat alla dess unika egenskaper. De tillverkade miljontals superelastiska, lätta urholkade kolrör, var och en lika stor som en enda hårstrå och lindade dessa till ett aerogelblock. Designprocessen började först med att göra kabelhydrogel av tellur (Te) nanotrådar som en mall som var belagd med ett kolskal. Sedan tillverkade de en kolrör aerogel (CTA) från denna hydrogel genom att först torka den och sedan kalcinera den i en argon inert atmosfär vid 900 ° C för att ta bort Ten nanotrådar. Denna unika design gör CTA till en utmärkt värmeisolator och dessutom superelastisk till sin natur då den studsar med hastigheten 1434 mm/s. Detta är det snabbaste någonsin jämfört med alla konventionella elastiska material. Författare påpekar att det är ännu mer elastiskt än isbjörnshår.
På grund av den ihåliga strukturen hos kolrör uppvisar materialet utmärkt värmeledningsförmåga som är lägre än den för torr luft på grund av att materialets innerdiameter är mindre än luftens fria väg. Materialet visade lång livslängd genom att bibehålla sin värmeledningsförmåga efter att ha lagrats i 3 månader i rumstemperatur med 56 % relativ fuktighet. CTA är lätt med en densitet på 8 kg/m3; lättare än de flesta tillgängliga värmeisoleringsmaterial. Den påverkas inte av vatten eftersom den inte är vätbar. Dessutom bibehålls den mekaniska strukturen hos CTA även efter många kompress-frigöringscykler vid olika stammar.
Den aktuella studien beskriver en ny aerogel i kolrör – inspirerad av isbjörnshårs design ihåliga rör – som fungerar som en utmärkt värmeisolator. Jämfört med andra tillgängliga aerogelisoleringsmaterial är denna isbjörnsinspirerade ihåliga rördesign lätt i vikt, mer motståndskraftig mot värmeflöde, vattentät och bryts inte ned under sin livstid.
Improved and more efficient thermal insulation systems hold promise for conserving primary energy consumption. Energi is now in short supply while energi costs are escalating. One of the ways to conserve energy is to improve thermal insulation of byggnader. Aerogeler visar redan ett stort löfte för många olika sådana applikationer. Denna studie öppnar vägar för att designa högpresterande material som är lätt, superelastiskt och värmeisolerande för applikationer i byggnader, flygindustrin, särskilt i extrema miljöer. På grund av dess extrema stretchförmåga förbättras dess attraktionskraft för olika applikationer.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
Zhan, H et al. 2019. Biomimetisk kolrörs aerogel möjliggör superelasticitet och värmeisolering. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
