لقد صمم العلماء مستوحاة من الطبيعة كربون مادة أنبوبية عازلة للحرارة تعتمد على البنية المجهرية لشعر الدب القطبي. يفتح هذا العازل الحراري خفيف الوزن وعالي المرونة والأكثر كفاءة طرقًا جديدة لعزل المباني الموفر للطاقة
الدب القطبي يساعد الشعر الحيوان على منع فقدان الحرارة في الظروف المناخية الباردة والرطبة في الدائرة القطبية الشمالية المتجمدة. شعر الدب القطبي مجوف بطبيعته على عكس شعر الإنسان أو غيره الثدييات. تحتوي كل خصلة شعر على نواة أسطوانية طويلة تمر عبر مركزها. هذا الشكل والتباعد بين التجاويف هو الذي يمنح شعر الدب القطبي الطبقة البيضاء المميزة. تتمتع هذه التجاويف بالعديد من الخصائص مثل الاحتفاظ بالحرارة الاستثنائية ومقاومة الماء والمرونة وما إلى ذلك مما يجعلها مادة عازلة للحرارة جيدة جدًا. تعمل المراكز المجوفة على تقييد حركة الحرارة بينما يجعل التصميم كل خصلة خفيفة الوزن للغاية. كما أن طبيعة شعر الدب القطبي غير القابلة للبلل تحافظ على دفء الحيوان عندما يسبح في درجات حرارة تحت الصفر وأيضًا في ظل الظروف الرطبة. وبالتالي فإن شعر الدب القطبي يعد نموذجًا جيدًا جدًا لتصميم المواد الاصطناعية التي يمكن أن توفر عزلًا فعالاً عن الحرارة تمامًا كما يفعل شعر الدب القطبي بشكل طبيعي.
في دراسة جديدة نُشرت في 6 يونيو في كيمياء، طور العلماء عازلًا جديدًا يستلهم من ويحاكي البنية الدقيقة لشعر الدب القطبي الفردي ، وبالتالي يكتسبون جميع خصائصه الفريدة. لقد صنعوا الملايين من أنابيب الكربون فائقة المرونة وخفيفة الوزن المجوفة ، كل منها بحجم خصلة شعر واحدة ولفوها في كتلة هوائية. بدأت عملية التصميم أولاً بصنع هيدروجيل الكابلات من أسلاك تيلوريوم (تي) النانوية كقالب مغطى بقشرة كربونية. ثم قاموا بتصنيع الهلام الهوائي لأنبوب الكربون (CTA) من هذا الهيدروجيل عن طريق تجفيفه أولاً ثم تحميصه في جو خامل من الأرجون عند 900 درجة مئوية لإزالة الأسلاك النانوية. هذا التصميم الفريد يجعل CTA عازلًا حراريًا ممتازًا وأيضًا فائق المرونة بطبيعته حيث يرتد بسرعة 1434 مم / ثانية. هذا هو الأسرع على الإطلاق مقارنة بجميع المواد المرنة التقليدية. يشير المؤلفون إلى أنه أكثر مرونة من شعر الدب القطبي.
نظرًا للهيكل المجوف لأنابيب الكربون ، تُظهر المادة موصلية حرارية ممتازة والتي تكون أقل من تلك الموجودة في الهواء الجاف نظرًا لأن القطر الداخلي للمادة أقل من مسار الهواء الحر. أظهرت المادة طول العمر من خلال الحفاظ على الموصلية الحرارية بعد تخزينها لمدة 3 أشهر في درجة حرارة الغرفة مع رطوبة نسبية 56٪. إن CTA خفيف الوزن بكثافة 8 كجم / م 3 ؛ أخف من غالبية مواد العازل الحراري المتاحة. لا يتأثر بالماء لأنه غير قابل للبلل. أيضًا ، يتم الحفاظ على الهيكل الميكانيكي لـ CTA حتى بعد العديد من دورات تحرير الضغط في سلالات مختلفة.
تصف الدراسة الحالية أنبوبة كربون جديدة للهواء - مستوحاة من تصميم الأنبوب المجوف لشعر الدب القطبي - والتي تعمل كعازل حراري ممتاز. بالمقارنة مع المواد العازلة الأخرى المتاحة ، فإن تصميم الأنبوب المجوف المستوحى من الدب القطبي خفيف الوزن ، وأكثر مقاومة لتدفق الحرارة ، ومقاوم للماء ولا يتحلل على مدار حياته.
تبشر أنظمة العزل الحراري المحسنة والأكثر كفاءة بالحفاظ على استهلاك الطاقة الأولية. الطاقة هو الآن في نقص المعروض في حين طاقة التكاليف تتصاعد. إحدى طرق الحفاظ على الطاقة هي تحسين العزل الحراري البنايات. تُظهر Aerogels بالفعل وعدًا كبيرًا لمجموعة متنوعة من هذه التطبيقات. تفتح هذه الدراسة طرقًا لتصميم مواد عالية الأداء وهي خفيفة الوزن ومرنة للغاية وعازلة حرارياً للتطبيقات في المباني وصناعة الطيران خاصة في البيئات القاسية. نظرًا لقدرته الشديدة على التمدد ، يتم تعزيز جاذبيته لمختلف التطبيقات.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
زان ، إتش وآخرون. 2019. Airgel أنبوب الكربون المحاكي الحيوي يتيح مرونة فائقة وعزل حراري. علم. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
