Gli scienziati hanno progettato un materiale termoisolante in aerogel con tubo di carbonio ispirato alla natura, basato sulla microstruttura dei capelli di un orso polare. Questo isolante termico leggero, altamente elastico e più efficiente apre nuove strade per l'isolamento degli edifici ad alta efficienza energetica
Orso polare il pelo aiuta l'animale a prevenire la dispersione di calore in condizioni climatiche fredde e umide nel gelido circolo polare artico. I capelli dell'orso polare sono naturalmente cavi a differenza dei capelli umani o di altri mammiferi. Ogni ciocca di capelli ha un lungo nucleo cilindrico che attraversa il suo centro. È questa forma e la distanza delle cavità che conferisce ai capelli dell'orso polare il distinto mantello bianco. Queste cavità hanno una moltitudine di proprietà come un'eccezionale tenuta di calore, resistenza all'acqua, elasticità, ecc. Che le rende un ottimo materiale isolante termico. I centri vuoti limitano il movimento del calore mentre dal punto di vista del design rendono ogni ciocca estremamente leggera. Inoltre, la natura non bagnabile del pelo dell'orso polare mantiene l'animale caldo quando nuota a temperature sotto lo zero e anche in condizioni di umidità. I capelli dell'orso polare sono quindi un ottimo modello per la progettazione di materiali sintetici che possono fornire un efficiente isolamento dal calore proprio come i capelli dell'orso polare lo fanno naturalmente.
In un nuovo studio pubblicato il 6 giugno in Chem, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo isolante prendendo ispirazione e imitando la microstruttura dei singoli peli di orso polare e quindi acquisendo tutte le sue proprietà uniche. Hanno fabbricato milioni di tubi di carbonio scavati super elastici e leggeri, ciascuno delle dimensioni di una singola ciocca di capelli e li hanno avvolti in un blocco di aerogel. Il processo di progettazione è iniziato con la realizzazione di un cavo idrogel da nanofili di tellurio (Te) come modello che è stato rivestito con un guscio di carbonio. Quindi hanno fabbricato un aerogel a tubo di carbonio (CTA) da questo idrogel prima asciugandolo e poi calcinandolo in un'atmosfera inerte di argon a 900 ° C per rimuovere i nanofili di Te. Questo design unico rende CTA un eccellente isolante termico e anche di natura super elastica in quanto rimbalza alla velocità di 1434 mm/s. Questo è il più veloce in assoluto rispetto a tutti i materiali elastici convenzionali. Gli autori sottolineano che è ancora più elastico dei capelli dell'orso polare.
A causa della struttura cava dei tubi in carbonio, il materiale mostra un'eccellente conduttività termica che è inferiore a quella dell'aria secca poiché il diametro interno del materiale è inferiore a quello del percorso libero dell'aria. Il materiale ha mostrato longevità mantenendo la sua conduttività termica dopo essere stato conservato per 3 mesi a temperatura ambiente con il 56% di umidità relativa. Il CTA è leggero con densità di 8 kg/m3; più leggero della maggior parte dei materiali isolanti termici disponibili. Non viene intaccato dall'acqua in quanto non è bagnabile. Inoltre, la struttura meccanica del CTA viene mantenuta anche dopo numerosi cicli di rilascio di compresse a diversi ceppi.
L'attuale studio descrive un nuovo aerogel a tubo di carbonio, ispirato al design del tubo cavo del pelo dell'orso polare, che funge da eccellente isolante termico. Rispetto ad altri materiali isolanti in aerogel disponibili, questo design a tubo cavo ispirato all'orso polare è leggero, più resistente al flusso di calore, impermeabile e non si degrada nel corso della sua vita.
Sistemi di isolamento termico migliorati e più efficienti promettono di conservare il consumo di energia primaria. L'energia è ora scarsa, mentre i costi energetici stanno aumentando. Uno dei modi per risparmiare energia è migliorare l'isolamento termico di edifici. Gli aerogel stanno già mostrando grandi promesse per un'ampia varietà di tali applicazioni. Questo studio apre nuove strade alla progettazione di materiali ad alte prestazioni che siano leggeri, super elastici e termicamente isolanti per applicazioni negli edifici, nell'industria aerospaziale, specialmente in ambienti estremi. A causa della sua estrema capacità di allungamento, il suo fascino è migliorato per varie applicazioni.
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Fonte (s)
Zhan, H et al. 2019. L'aerogel biomimetico del tubo del carbonio consente la super-elasticità e l'isolamento termico. chimica. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
