Wetenschappers hebben een op de natuur geïnspireerd aerogel thermisch isolatiemateriaal van koolstofbuis ontworpen op basis van de microstructuur van ijsbeerhaar. Deze lichtgewicht, zeer elastische en efficiëntere warmte-isolator opent nieuwe wegen voor energie-efficiënte isolatie van gebouwen
Ijsbeer haar helpt het dier warmteverlies te voorkomen in koude en vochtige klimatologische omstandigheden in de ijskoude poolcirkel. Haar van ijsberen is van nature hol in tegenstelling tot mensenhaar of andere zoogdieren. Elke haarstreng heeft een lange, cilindrische kern die door het midden loopt. Het is deze vorm en afstand van de holtes die ijsberenhaar de kenmerkende witte vacht geven. Deze holtes hebben een groot aantal eigenschappen, zoals een uitzonderlijke warmte-vasthoudendheid, waterbestendigheid, elasticiteit enz., waardoor ze een zeer goed thermisch isolatiemateriaal zijn. De holle centra beperken de beweging van warmte terwijl ze qua ontwerp elke streng extreem licht maken. Ook houdt de niet-bevochtigbare aard van ijsbeerhaar het dier warm wanneer ze zwemmen bij temperaturen onder het vriespunt en ook onder vochtige omstandigheden. IJsbeerhaar is dus een zeer goed model voor het ontwerpen van synthetische materialen die een efficiënte isolatie tegen hitte kunnen bieden, net zoals ijsbeerhaar dat van nature doet.
In een nieuwe studie gepubliceerd op 6 juni in Chem, hebben wetenschappers een nieuwe isolator ontwikkeld die is geïnspireerd op en de microstructuur van individuele ijsbeerharen nabootst en zo al zijn unieke eigenschappen heeft verkregen. Ze fabriceerden miljoenen superelastische, lichtgewicht uitgeholde koolstofbuizen, elk ter grootte van een enkele haarstreng, en wikkelden deze in een aerogelblok. Het ontwerpproces begon eerst met het maken van kabelhydrogel van tellurium (Te) nanodraden als een sjabloon die werd gecoat met een koolstofschil. Vervolgens fabriceerden ze een carbon tube aerogel (CTA) van deze hydrogel door deze eerst te drogen en vervolgens te calcineren in een argon-inerte atmosfeer bij 900 °C om Te-nanodraden te verwijderen. Dit unieke ontwerp maakt CTA een uitstekende thermische isolator en ook superelastisch van aard omdat het terugkaatst met een snelheid van 1434 mm/s. Dit is de snelste ooit vergeleken met alle conventionele elastische materialen. Auteurs wijzen erop dat het zelfs elastischer is dan ijsbeerhaar.
Door de holle structuur van koolstofbuizen vertoont het materiaal een uitstekende thermische geleidbaarheid die lager is dan die van droge lucht doordat de binnendiameter van het materiaal kleiner is dan die van de vrije luchtweg. Het materiaal vertoonde een lange levensduur door zijn thermische geleidbaarheid te behouden na 3 maanden opslag bij kamertemperatuur met een relatieve vochtigheid van 56%. De CTA is lichtgewicht met een dichtheid van 8 kg/m3; lichter dan de meeste beschikbare thermische isolatiematerialen. Het wordt niet aangetast door water omdat het niet bevochtigbaar is. Ook blijft de mechanische structuur van de CTA behouden, zelfs na talrijke cycli van het losmaken van het kompres bij verschillende spanningen.
De huidige studie beschrijft een nieuwe aerogel van koolstofbuis - geïnspireerd op het holle buisontwerp van ijsberenhaar - die fungeert als een uitstekende thermische isolator. Vergeleken met andere beschikbare aerogel-isolatiematerialen, is dit op ijsbeer geïnspireerde holle buisontwerp licht in gewicht, beter bestand tegen warmtestroom, waterbestendig en degradeert het niet tijdens zijn levensduur.
Verbeterde en efficiëntere thermische isolatiesystemen zijn veelbelovend voor het besparen van primair energieverbruik. Energie is nu schaars, terwijl de energiekosten stijgen. Een van de manieren om energie te besparen is het verbeteren van de thermische isolatie van gebouwen. Aerogels zijn al veelbelovend voor een grote verscheidenheid aan dergelijke toepassingen. Deze studie opent mogelijkheden om hoogwaardig materiaal te ontwerpen dat licht van gewicht, superelastisch en thermisch isolerend is voor toepassingen in gebouwen, de lucht- en ruimtevaartindustrie, vooral in extreme omgevingen. Vanwege het extreme rekvermogen wordt de aantrekkingskracht vergroot voor verschillende toepassingen.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Zhan, H et al. 2019. Biomimetische koolstofbuis-aerogel maakt superelasticiteit en thermische isolatie mogelijk. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
