Команда международных ученых создала новую форму высокоэффективной недорогой изоляции на основе крыльев стрекозы.
Материал, известный как аэрогель, является самым пористым материалом, известным человеку, и сверхлегким, его часть размером с семейный автомобиль весит менее килограмма.
Начиная с влажного силикагеля, похожего по структуре на желе, материал тщательно высушивают, чтобы получить прочный пористый материал. Но до сих пор удаление молекул воды без разрушения тонкой структуры кремнезема было долгим, трудным и дорогостоящим процессом, и, как следствие, использование аэрогелей было ограничено несколькими узкоспециализированными задачами, такими как сбор звездной пыли в космосе..
Теперь группе экспертов во главе с Университетом Ньюкасла, Великобритания, удалось дешево воспроизвести этот процесс, подражая тому, как стрекоза сушит свои крылья.
Вместо того, чтобы сушить кремнезем при высокой температуре и давлении, команда использовала бикарбонат соды (тот же самый, который используется для поднятия лепешек), чтобы «выдуть» молекулы воды, удерживая углекислый газ в порах.
Опубликовав свои выводы сегодня в научном журнале Advanced Materials, команда говорит, что следующим шагом будет масштабирование процесса для создания панелей большего размера, которые можно использовать для изоляции наших домов и зданий.
Д-р Лидия Шиллер, соавтор и специалист по наномасштабам из Университета Ньюкасла, которая работала над исследованием вместе с докторами Сяо Ханом, Халилом Хассаном и доктором Адрианом Оила, также из Университета Ньюкасла, объясняет:
Потенциал этого открытия с точки зрения сокращения энергопотребления и, следовательно, наших счетов за электроэнергию действительно впечатляет.
Аэрогели - удивительный материал - безопасный, легкий и в десять раз более изолирующий, чем то, что мы используем сейчас, - но до сих пор они были недоступны для большинства из нас, потому что они очень дороги в производстве. исследования - это шаг к тому, чтобы сделать их широко доступными».
Учимся у природы
Стрекоза принадлежит к отряду насекомых, известному как Odonata, что означает «зубчатая челюсть» из-за зубчатого ротового аппарата.
«Эти древние насекомые существовали задолго до появления динозавров», - объясняет Деян Кулиер из Национального музея Боснии и Герцеговины.
"Это одна из старейших групп насекомых, способных летать, и в нее входит самое большое насекомое, которое когда-либо жило, - гриффинмуха, с размахом крыльев более 70 см."
Их крылья представляют собой пористую многослойную структуру, похожую на аэрогель, и настолько прочные и легкие, что могут переносить насекомое на расстояние до 30 миль в час.
«Крылья стрекозы представляют собой сверхлегкий аэрогель, составляющий менее 2% от общей массы тела насекомого, и при этом они настолько прочны, что могут переносить насекомое на тысячи миль через океаны и между континентами», - говорит доктор. Шиллер, который работал над исследованием вместе с коллегами из Университетов Ньюкасла, Даремского университета и Университета Лимерика, Ирландия, а также с экспертами из Национального музея Боснии и Герцеговины.
Большую часть своего жизненного цикла стрекоза проводит под водой на личиночной стадии (период от 30 дней до нескольких лет). Превращение личинки во взрослое летающее насекомое представляет собой необратимые изменения в морфологии и физиологии. Этот процесс метаморфоза может занять от 20 минут до нескольких часов, в зависимости от вида. Когда стрекоза выходит из своей личиночной кожи, ее крылья похожи на желе, но в течение очень короткого времени они расширяются и затвердевают, чтобы стать полностью сухими.
Для этого их тела вырабатывают молекулы бикарбоната, которые выделяют углекислый газ, который регулирует давление тела и одновременно сушит крылья. Это «выдувает» воду, оставляя сухую, стабильную, легкую и прочную структуру..
"Мы воспроизвели этот процесс в лаборатории с аэрогелем, выдуванием воды при температуре окружающей среды и бикарбонатом натрия."
Идеальные изоляторы
Аэрогели были впервые обнаружены в 1931 году. Обычно они весят около 0,1 г/см3 и состоят на 95% из воздуха, а их теплопроводность аналогична вакуумной панели, что делает их идеальными изоляторами - не только для сохранения тепла, но и для также сохраняйте дома прохладу.
Изоляционные свойства и устойчивость к старению, влаге и перфорации делают их идеальными материалами для изоляции зданий, но до сих пор высокая стоимость производства ограничивала их использование.
Добавив бикарбонатные растворители в силикагели и применив инновационный химический процесс, команда заставила вырабатывать углекислый газ, чтобы высушить гель изнутри. В то же время CO2 улавливается тонкой структурой, предотвращая разрушение аэрогеля.
Соавтор, доктор Сяо Хань из Ньюкаслского университета, заявил, что новая технология снизит себестоимость продукции на 96 % - со 100 до 4 долларов США за килограмм.
Как и крылья стрекозы, наш материал аэрогеля состоит из ультратонких слоев кремнезема, что означает, что мы можем создать более прочную структуру. Следующим шагом будет масштабирование процесса производства панелей изоляции. которые можно использовать в домах и зданиях, чтобы помочь сократить потребление энергии и, в конечном счете, наши счета».
Исследование финансировалось Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC).