Стрекозы помогли ученым создать идеальный теплоизолятор
Международная команда исследователей создала новый высокоэффективный и недорогой изоляционный материал, вдохновившись его природным аналогом - крыльями обычных стрекоз. В очередной раз животные помогают ученым совершить прорыв в той или иной области.
Материал, называемый аэрогелем, является самым легким из созданных человеком, если взять кусок аэрогеля размером с автомобиль, то его масса составит менее одного килограмма.
Изначально он получается из влажного силикагеля, по структуре напоминающего желе, его тщательно высушивают, и создается прочный пористый материал. Однако до сих пор удаление молекул воды без разрушения тонкой структуры диоксида кремния было очень долгим, сложным и дорогостоящим процессом. Как следствие, использование аэрогелей было ограничено несколькими высокоспециализированными задачами, такими как сбор частиц космической пыли в межзвездном пространстве.
Но сегодня команда британских исследователей, возглавляемая сотрудниками университета Ньюкасла сумела изобрести новую технологию удаления воды, подражая тому, как в природе стрекоза высушивает свои крылья.
Вместо того, чтобы высушивать структуры из диоксида кремния (кремнезема) при высоких температурах и давлении, ученые использовала бикарбонат натрия (эта та самая сода, которую используют хозяйки при приготовлении выпечки), “выдувая” молекулы воды изнутри, и оставляя в порах материала углекислый газ.
Свои результаты они опубликовали в академическом журнале “Инновационные материалы” (Advanced Materials), и теперь команда говорит о том, что следующим шагом будет масштабировать процесс и создавать технологию массового производства теплоизоляционных панелей из аэрогеля. Они смогут использовать в строительстве в качестве утеплителя.
Потенциал этого открытия с точки зрения сокращения потерь энергии и экономии материала просто громадный. Чтобы сохранить тепло в здании и оставить внутренние помещения прохладными в жару необходимо использовать огромные слои традиционных теплоизоляторов. У них множество недостатков: впитывают воду и перестают работать, выделяют химические вещества, они горючи, недолговечны и т.д.
Аэрогели - потрясающий материал, он безопасный, легкий и в десять раз более изолирующий, чем сегодняшние аналоги, а значит толщина утеплителя с ним может быть в десять раз меньше! До сих пор он был абсолютно недоступен для бытового применения из-за дороговизны, однако теперь ученые сделали гигантский шаг к тому, чтобы перевернуть ситуацию.
Стрекозы образуют отряд насекомых Odonata, что буквально переводят как “зубчатая челюсть”. Эти древние животные были задолго до того, как появились динозавры, среди них были самые большие летающие насекомые на Земле Meganeura monyi и Megatypus, размах их крыльев был более 70 сантиметров.
Крылья стрекоз представляют собой пористую, слоистую структуру, похожую на аэрогель, настолько прочную и легкую, что они могут позволять насекомому летать со скоростью до 50 километров в час.
По сути, это сверхлегкий аэрогель, составляющий менее 2% от общего веса тела насекомого, - и все же они настолько прочны, что могут переносить стрекозу на тысячи километров с одного континента на другой.
Большая часть жизненного цикла стрекоз проходит под водой на стадии личинки (это занимает у разных видов от 30 дней до нескольких лет). Переход от личинки к взрослому летающему насекомому представляет собой необратимое изменение в морфологии и физиологии. Эта захватывающая метаморфоза занимает от 20 минут до нескольких часов, и когда стрекоза вылезает из своего “скелета” личинки, то ее крылья похожи на желе, однако в течение очень короткого промежутка времени они расширяются и затвердевают, полностью высыхая.
Чтобы достичь этого, тело насекомого производит молекулы бикарбоната натрия - они выделяют углекислый газ, который регулирует давление тела и одновременно сушит крылья. При удалении влаги остается сухая, стабильная, легкая и прочная структура крыльев.
Команда воспроизвела этот процесс в лаборатории и получила требуемый материал - аэрогель.
Аэрогели впервые были получены в 1931 году. Плотность материала составляет примерно около 0,1 г/см3 и на 95 процентов он состоит из воздуха. Это позволяет слою аэрогеля иметь теплопроводность близкую к панели с вакуумом, и это делает материал идеальным изолятором для поддержания тепла или сохранения холода.
Кроме этого, аэрогель не теряет свои свойства со временем, не боится влаги и проколов - все это делает его фантастически востребованным материалом на строительном рынке, если кто-то сможет создать технологию производства по приемлемой цене.
Добавляя специальные бикарбонатные растворители в силикагель, команда с помощью инновационного химического процесса смогла высушить материал с помощью углекислого газа, образующегося внутри. Одновременно углекислый газ заполняет внутренние поры, не давая структуре из кремния сложиться.
Новая технология по приблизительным оценкам снизит себестоимость продукции на 96% - со ста до четырех долларов за килограмм аэрогеля. Подобно крыльям стрекозы, материал состоит из ультратонких слоев кремнезема. И возможно скоро мы увидим панели из аэрогеля на современных зданиях во всем мире.
