Старейшее насекомое в мире вдохновляет новое поколение аэрогелей

Этот материал, известный как аэрогель, является самым пористым материалом, известным человеку, и сверхлегким, его кусок размером с семейный автомобиль весит менее килограмма.Начиная с влажного силикагеля, похожего по структуре на желе, материал тщательно сушат, чтобы создать прочный пористый материал. Но до сих пор удаление молекул воды без разрушения тонкой структуры кремнезема было долгим, сложным и дорогостоящим процессом, и, как следствие, использование аэрогелей ограничивалось несколькими узкоспециализированными задачами, такими как сбор звездной пыли в космосе. .Теперь группе экспертов под руководством Университета Ньюкасла, Великобритания, удалось дешево воспроизвести этот процесс, имитируя способ, которым стрекоза сушит свои крылья.

Вместо того, чтобы сушить кремнезем при высокой температуре и давлении, команда использовала бикарбонат соды (тот же, что используется для повышения уровня лепешек), чтобы «выдувать» молекулы воды, задерживая углекислый газ в порах.Публикуя свои результаты сегодня в академическом журнале Advanced Materials, команда говорит, что следующим шагом будет расширение процесса для создания более крупных панелей, которые можно будет использовать для изоляции наших домов и зданий.

Д-р Лидия Шиллер, ведущий автор и исследователь наноразмеров из Университета Ньюкасла, которая работала над исследованием с доктором Сяо Ханом, Халилом Хасаном и доктором Адрианом Оилой, также из Университета Ньюкасла, объясняет:«Потенциал этого открытия с точки зрения снижения 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 их производство очень дорогое. шаг к тому, чтобы сделать их широко доступными ".Учиться у природыСтрекозы принадлежат к отряду насекомых, известному как Odonata, что означает «зубастая челюсть» из-за зазубренного ротового аппарата.

«Эти древние насекомые были здесь задолго до того, как появились динозавры», — объясняет Деян Кулиер из Национального музея Боснии и Герцеговины.«Это одна из старейших групп насекомых, совершивших полет, и в ее состав входит самое большое из когда-либо существовавших насекомых — грифон, размах крыльев которого превышал 70 см».Их крылья представляют собой пористую слоистую структуру, похожую на аэрогель, и настолько сильны и легки, что могут переносить насекомое на расстояние до 30 миль за час.

«Крылья стрекозы представляют собой сверхлегкий аэрогель, составляющий менее 2% от общей массы тела насекомого, — и тем не менее они настолько сильны, что могут переносить насекомое на тысячи миль через океаны и между континентами», — говорит доктор Шиллер, работал над исследованием вместе с коллегами из Университета Ньюкасла, Даремского университета и Университета Лимерика, Ирландия, а также экспертами из Национального музея Боснии и Герцеговины.«Большую часть своего жизненного цикла стрекоза проводит под водой в личиночной стадии (период от 30 дней до нескольких лет).

Превращение личинки во взрослое летающее насекомое представляет собой необратимые изменения морфологии и физиологии. Этот процесс метаморфоза может длиться от 30 дней до нескольких лет.

От 20 минут до нескольких часов, в зависимости от вида.Когда стрекоза выходит из личиночной кожи, ее крылья похожи на желе, но за очень короткое время они расширяются и затвердевают, становясь полностью сухими.«Для этого их тела производят 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 помощью аэрогеля, продувки воды комнатной температуры и бикарбоната натрия».

Идеальные изоляторыВпервые аэрогели были обнаружены в 1931 году.

Обычно они весят около 0,1 г / см3 и состоят на 95% из воздуха, они обладают теплопроводностью, схожей с вакуумной панелью, что делает их идеальными изоляторами — не только для сохранения тепла, но и для охлаждения домов. .Их 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.Добавляя бикарбонатные растворители в силикагели и используя инновационный химический процесс, команда заставила производство углекислого газа высушить гель изнутри. В то же время CO2 удерживается в хрупкой структуре, предотвращая схлопывание аэрогеля.

Ведущий автор исследования доктор Сяо Хан из Университета Ньюкасла сказал, что новая технология снизит стоимость производства на 96% — примерно со 100 до 4 долларов за килограмм.«Как и крылья стрекозы, наш материал аэрогеля состоит из ультратонких слоев диоксида кремния, что означает, что мы можем создать более прочную структуру. Следующим шагом будет масштабирование процесса для производства панелей изоляции, которые можно использовать в дома и здания, чтобы помочь сократить потребление энергии и, в конечном итоге, наши счета ".

Исследование финансировалось Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC).


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *