Nye keramiske nanofiber svampe kan bruges til fleksibel isolering, vandrensning

Forskere har fundet en måde at lave ultralette svampelignende materialer af nanoskala keramiske fibre. Den meget porøse, komprimerbare og varmebestandige svampe kan have mange anvendelser, fra vandrensningsanordninger til fleksible isoleringsmaterialer.

"Det grundlæggende videnskabelige spørgsmål, vi forsøgte at besvare, er, hvordan vi kan lave et materiale, der er meget deformerbart, men modstandsdygtigt over for høj temperatur, "sagde Huajian Gao, en professor ved Brown University's School of Engineering og en tilsvarende forfatter til forskningen. "Dette papir viser, at vi kan gøre det ved at blande keramiske nanofibre i en svamp, og den metode, vi bruger til at gøre det, er billig og skalerbar til at lave disse i store mængder. "

Arbejdet, et samarbejde mellem Gaos laboratorium på Brown og laboratorierne i Hui Wu og Xiaoyan Li ved Tsinghua University i Kina, er beskrevet i journalen Videnskab fremskridt .

Som enhver, der nogensinde har tabt en blomstervase, godt ved, keramik er sprøde materialer. Revner i keramik har en tendens til at forplante sig hurtigt, fører til katastrofalt svigt med selv den mindste deformation. Selvom det er sandt for al traditionel keramik, tingene er anderledes på nanoskalaen.

"På nanoskala, revner og fejl bliver så små, at det tager meget mere energi at aktivere dem og få dem til at forplante sig, "Sagde Gao." Nanoskala -fibre fremmer også deformationsmekanismer, såsom det der er kendt som krybning, hvor atomer kan diffundere langs korngrænser, gør det muligt for materialet at deformere uden at gå i stykker. "

På grund af den nanoskala dynamik, materialer fremstillet af keramiske nanofibre har potentiale til at være deformerbare og fleksible, samtidig med at den varmebestandighed bevares, der gør keramik nyttig i applikationer med høj temperatur. Problemet er, at sådanne materialer ikke er lette at lave. En ofte brugt metode til fremstilling af nanofibre, kendt som elektrospinning, fungerer ikke godt med keramik. En anden potentiel mulighed, 3D-laserprint, er dyrt og tidskrævende.

Så forskerne brugte en metode kaldet løsning blow-spinning, som tidligere var udviklet af Wu i hans laboratorium i Tsinghua. Processen bruger lufttryk til at drive en flydende opløsning indeholdende keramisk materiale gennem en lille sprøjteåbning. Når væsken kommer frem, det størkner hurtigt til nanoskala fibre, der opsamles i et roterende bur. Det opsamlede materiale opvarmes derefter, som brænder opløsningsmidlet væk og efterlader en masse sammenfiltrede keramiske nanofibre, der ligner lidt en vatrondel.

Forskerne brugte metoden til at skabe svampe fremstillet af en række forskellige typer keramik og viste, at materialerne havde nogle bemærkelsesværdige egenskaber.

For eksempel, svampene var i stand til at vende tilbage efter trykbelastning på op til 50 procent, noget, som intet almindeligt keramisk materiale kan. Og svampene kan opretholde denne modstandsdygtighed ved temperaturer op til 800 grader Celsius.

Undersøgelsen viste også, at svampene havde en bemærkelsesværdig kapacitet til højtemperaturisolering. I et forsøg, forskerne placerede et blomsterblad oven på en 7 millimeter tyk svamp fremstillet af titandioxid (et almindeligt keramisk materiale) nanofibre. Efter opvarmning af svampens bund til 400 grader Celsius i 10 minutter, blomsten ovenpå visnet knap. I mellemtiden, kronblade placeret på andre typer porøse keramiske materialer under de samme betingelser blev brændt til en skarphed.

Svampenes varmebestandighed og dens deformerbarhed gør dem potentielt nyttige som et isolerende materiale, hvor fleksibilitet er vigtig. For eksempel, Gao siger, materialet kunne bruges som et isolerende lag i brandmandstøj.

En anden potentiel anvendelse kan være i vandrensning. Titandioxid er en velkendt fotokatalysator, der bruges til at nedbryde organiske molekyler, som dræber bakterier og andre mikroorganismer i vand. Forskerne viste, at en titandioxid -svamp kunne absorbere 50 gange sin vægt i vand indeholdende et organisk farvestof. Inden for 15 minutter, svampen var i stand til at nedbryde farvestoffet under belysning. Med vandet vridd ud, svampen kunne derefter genbruges - noget der ikke kan gøres med titandioxidpulverne, der normalt bruges til vandrensning.

Ud over disse, der kan være andre applikationer til keramiske svampe, som forskerne endnu ikke har overvejet.

"Den proces, vi brugte til fremstilling af disse, er ekstremt alsidig; den kan bruges med en lang række forskellige typer keramiske udgangsmaterialer, "sagde Wu, en af ​​de tilsvarende forfattere fra Tsinghua. "Så vi tror, ​​at der er enorme muligheder for potentielle applikationer."