ابتكر العلماء مادة عازلة حرارية من الهلام الهوائي لأنابيب الكربون مستوحاة من الطبيعة ، وذلك بالاعتماد على البنية المجهرية لشعر الدب القطبي. يفتح هذا العازل الحراري خفيف الوزن، عالي المرونة، والأكثر كفاءة، آفاقًا جديدة لعزل المباني بكفاءة الطاقة.
يساعد شعر الدب القطبي 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 من الثدييات . تحتوي كل شعرة على لب أسطواني طويل يمر عبر مركزها. هذا الشكل والمسافة بين التجاويف هو ما يمنح شعر الدب القطبي لونه الأبيض المميز. تتمتع هذه التجاويف بخصائص متعددة، مثل الاحتفاظ الاستثنائي بالحرارة، ومقاومة الماء، والمرونة، مما يجعلها مادة عازلة حرارية ممتازة. تحدّ المراكز المجوفة من انتقال الحرارة، كما أن تصميمها يجعل كل شعرة خفيفة الوزن للغاية. بالإضافة إلى ذلك، تحافظ طبيعة شعر الدب القطبي غير القابلة للبلل على دفء الحيوان عند السباحة في درجات حرارة تحت الصفر وفي الظروف الرطبة. لذلك، يُعد شعر الدب القطبي نموذجًا ممتازًا لتصميم مواد اصطناعية توفر عزلًا حراريًا فعالًا تمامًا كما يفعل شعر الدب القطبي بشكل طبيعي.
في دراسة جديدة نُشرت في السادس من يونيو في مجلة Chem ، طوّر العلماء عازلاً مبتكراً مستوحى من البنية المجهرية لشعر الدب القطبي، ومحاكياً إياها، وبالتالي اكتسب جميع خصائصها الفريدة. صنع العلماء ملايين الأنابيب الكربونية المجوفة فائقة المرونة وخفيفة الوزن، بحجم شعرة واحدة لكل منها، ثم لفوا هذه الأنابيب لتشكيل كتلة من الهلام الهوائي. بدأت عملية التصميم بصنع هيدروجيل كابل من أسلاك نانوية من التيلوريوم (Te) كقالب، ثم طُلي بغلاف كربوني. بعد ذلك، صنعوا هلاماً هوائياً من أنابيب الكربون (CTA) من هذا الهيدروجيل، وذلك بتجفيفه أولاً، ثم تكليسه في جو خامل من الأرجون عند 900 درجة مئوية لإزالة أسلاك التيلوريوم النانوية. هذا التصميم الفريد يجعل CTA عازلاً حرارياً ممتازاً، فضلاً عن كونه فائق المرونة، حيث يرتد بسرعة 1434 مم/ث. هذه هي أسرع سرعة ارتداد على الإطلاق مقارنةً بجميع المواد المرنة التقليدية. ويشير الباحثون إلى أنه أكثر مرونة من شعر الدب القطبي نفسه.
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.
تُبشّر أنظمة العزل الحراري المُحسّنة والأكثر كفاءة بترشيد استهلاك الطاقة الأولية. فالطاقة شحيحة حاليًا بينما تتصاعد تكاليفها. ومن بين سُبل ترشيد الطاقة تحسين العزل الحراري للمباني . وقد أظهرت المواد الهلامية الهوائية بالفعل إمكانات واعدة في تطبيقات متنوعة. تفتح هذه الدراسة آفاقًا لتصميم مواد عالية الأداء، خفيفة الوزن، فائقة المرونة، وعازلة حراريًا، لتطبيقات في المباني وصناعة الطيران، لا سيما في البيئات القاسية. وبفضل قدرتها الفائقة على التمدد، تزداد جاذبيتها في تطبيقات متعددة.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
زان، هـ وآخرون. 2019. هلام هوائي من أنابيب الكربون المحاكي حيويًا يُمكّن من المرونة الفائقة والعزل الحراري. مجلة الكيمياء. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
