นักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบโดยได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ คาร์บอน วัสดุฉนวนความร้อนแบบท่อแอโรเจลตามโครงสร้างจุลภาคของขนหมีขั้วโลก ฉนวนความร้อนน้ำหนักเบา ยืดหยุ่นสูง และมีประสิทธิภาพมากขึ้นนี้เปิดช่องทางใหม่สำหรับฉนวนอาคารที่ประหยัดพลังงาน
หมีขั้วโลก ขนช่วยให้สัตว์ป้องกันการสูญเสียความร้อนในสภาพอากาศหนาวเย็นและชื้นในอาร์กติกเซอร์เคิลที่หนาวเย็น ขนของหมีขั้วโลกมีลักษณะกลวงตามธรรมชาติไม่เหมือนกับเส้นผมของมนุษย์หรืออื่นๆ เลี้ยงลูกด้วยนม- ผมแต่ละเส้นมีแกนทรงกระบอกยาวพาดผ่านตรงกลาง รูปร่างและระยะห่างของโพรงนี้เองที่ทำให้ขนของหมีขั้วโลกมีขนสีขาวเด่นชัด โพรงเหล่านี้มีคุณสมบัติมากมาย เช่น กักเก็บความร้อนได้ดีเยี่ยม ทนน้ำ ยืดหยุ่น ฯลฯ ซึ่งทำให้เป็นวัสดุฉนวนความร้อนที่ดีมาก จุดศูนย์กลางกลวงจะจำกัดการเคลื่อนที่ของความร้อน ในขณะเดียวกันก็ได้รับการออกแบบอย่างชาญฉลาดทำให้ทุกเกลียวมีน้ำหนักเบามาก นอกจากนี้ ขนของหมีขั้วโลกที่ไม่เปียกช่วยให้สัตว์อบอุ่นเมื่อว่ายน้ำในอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์และในสภาวะที่มีความชื้นด้วย ขนของหมีขั้วโลกจึงเป็นแบบอย่างที่ดีมากในการออกแบบวัสดุสังเคราะห์ซึ่งสามารถเป็นฉนวนป้องกันความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่นเดียวกับขนของหมีขั้วโลกที่ทำตามธรรมชาติ
ในการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่เมื่อวันที่ 6 มิถุนายนใน Chemนักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาฉนวนชนิดใหม่ที่ได้รับแรงบันดาลใจและเลียนแบบโครงสร้างจุลภาคของขนหมีขั้วโลกแต่ละตัว และด้วยเหตุนี้จึงได้มาซึ่งคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ทั้งหมดของมัน พวกเขาประดิษฐ์หลอดคาร์บอนแบบกลวงที่มีความยืดหยุ่นสูงเป็นพิเศษและน้ำหนักเบาหลายล้านเส้น แต่ละเส้นมีขนาดเท่ากับเส้นผมเพียงเส้นเดียว และพันเข้าไปในบล็อกแอร์เจล ขั้นตอนการออกแบบเริ่มต้นด้วยการทำเคเบิลไฮโดรเจลจากสายนาโนเทลลูเรียม (Te) เป็นแม่แบบที่เคลือบด้วยเปลือกคาร์บอน จากนั้นพวกเขาก็สร้างแอร์เจลหลอดคาร์บอน (CTA) จากไฮโดรเจลนี้โดยการทำให้แห้งก่อนแล้วจึงเผาในบรรยากาศเฉื่อยของอาร์กอนที่ 900 °C เพื่อขจัดสายนาโน Te การออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์นี้ทำให้ CTA เป็นฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยมและยังมีความยืดหยุ่นสูงในธรรมชาติเมื่อเด้งกลับด้วยความเร็ว 1434 มม./วินาที นี่เป็นวิธีที่เร็วที่สุดเมื่อเทียบกับวัสดุยืดหยุ่นทั่วไปทั้งหมด ผู้เขียนชี้ให้เห็นว่ามันมีความยืดหยุ่นมากกว่าขนหมีขั้วโลก
เนื่องจากท่อคาร์บอนมีโครงสร้างเป็นโพรง วัสดุจึงแสดงค่าการนำความร้อนได้ดีเยี่ยมซึ่งต่ำกว่าอากาศแห้ง เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของวัสดุน้อยกว่าเส้นทางอากาศอิสระ วัสดุมีอายุการใช้งานยาวนานโดยคงค่าการนำความร้อนหลังจากเก็บไว้เป็นเวลา 3 เดือนที่อุณหภูมิห้องที่มีความชื้นสัมพัทธ์ 56% CTA มีน้ำหนักเบาและมีความหนาแน่น 8 กก./ลบ.ม. เบากว่าวัสดุฉนวนความร้อนที่มีอยู่ส่วนใหญ่ ไม่โดนน้ำเพราะไม่เปียก นอกจากนี้ โครงสร้างทางกลของ CTA จะยังคงอยู่แม้หลังจากรอบการคลายการบีบอัดหลายครั้งที่สายพันธุ์ต่างๆ
การศึกษาในปัจจุบันอธิบายถึง airgel ของท่อคาร์บอนใหม่ ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากการออกแบบท่อกลวงของขนหมีขั้วโลก ซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยม เมื่อเทียบกับวัสดุฉนวน airgel อื่นๆ ที่มีอยู่ การออกแบบท่อกลวงที่ได้รับแรงบันดาลใจจากหมีขั้วโลกนี้ มีน้ำหนักเบา ทนทานต่อการไหลของความร้อน กันน้ำ และไม่เสื่อมสภาพตลอดอายุการใช้งาน
ระบบฉนวนความร้อนที่ได้รับการปรับปรุงและมีประสิทธิภาพมากขึ้นถือเป็นคำมั่นสัญญาในการอนุรักษ์การใช้พลังงานเบื้องต้น พลังงาน ขณะนี้กำลังขาดแคลนอยู่ในขณะนี้ พลังงาน ต้นทุนกำลังเพิ่มขึ้น วิธีอนุรักษ์พลังงานวิธีหนึ่งคือการปรับปรุงฉนวนกันความร้อนของ สิ่งปลูกสร้าง. Aerogels ได้แสดงสัญญาที่ดีสำหรับการใช้งานดังกล่าวที่หลากหลาย การศึกษานี้เป็นการเปิดหนทางสู่การออกแบบวัสดุประสิทธิภาพสูงซึ่งมีน้ำหนักเบา ยืดหยุ่นสูง และเป็นฉนวนความร้อนสำหรับการใช้งานในอาคาร อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เนื่องจากความสามารถในการยืดตัวสุดขีด ความน่าดึงดูดจึงได้รับการปรับปรุงสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย
***
{คุณสามารถอ่านรายงานการวิจัยต้นฉบับได้โดยคลิกลิงก์ DOI ที่ระบุด้านล่างในรายการแหล่งที่มาที่อ้างอิง}
แหล่งที่มา (s)
Zhan, H และคณะ 2019 Airgel หลอดคาร์บอนไบโอมิเมติกช่วยให้มีความยืดหยุ่นสูงและฉนวนกันความร้อน เคมี. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
