Verdens ældste insekt inspirerer en ny generation af aerogeler

Et team af internationale videnskabsmænd har skabt en ny form for højeffektive, lavpris isolering baseret på vingerne på en guldsmede.

Materialet, kendt som en aerogel, er det mest porøse materiale kendt af mennesket og ultralet, med et stykke på størrelse med en familiebil, der vejer mindre end et kilo.

Startende som en våd silicagel, struktur ligner gelé, materialet tørres omhyggeligt for at skabe en stærk, porøst materiale. Men indtil nu, at fjerne vandmolekylerne uden at kollapse den fine silicastruktur har været lang, vanskelig og dyr proces og som en konsekvens, brugen af ​​aerogel har været begrænset til nogle få meget specialiserede opgaver, såsom samling af stjernestøv i rummet.

Nu er et team af eksperter ledet af Newcastle University, Storbritannien, har formået billigt at kopiere processen ved at efterligne måden, hvorpå guldsmede tørrer sine vinger ud.

I stedet for at tørre silicaen under høj temperatur og tryk, holdet brugte bikarbonat af sodavand (det samme brugt til at få kager til at hæve) til at 'blæse' vandmolekylerne ud, fanger kuldioxidgas i porerne.

Offentliggør deres resultater i dag i det akademiske tidsskrift Avancerede materialer , holdet siger, at næste skridt vil være at opskalere processen for at skabe større paneler, der kan bruges til at isolere vores hjem og bygninger.

Dr Lidija Šiller, fælles hovedforfatter og en videnskabsmand i nanoskala ved Newcastle University, der arbejdede på forskningen sammen med Dr. Xiao Han, Khalil Hassan og Dr. Adrian Oila, også fra Newcastle University, forklarer:

"Denne opdagelses potentiale i forhold til at reducere energiforbruget og derfor vores energiregning er virkelig spændende.

"Aerogels er et fantastisk materiale - sikkert, lette og ti gange mere isolerende end hvad vi bruger nu – men indtil nu har de været uden for rækkevidde for de fleste af os, fordi de er så dyre at lave. Vores forskning er et skridt i retning af at gøre dem bredt tilgængelige."

At lære af naturen

Guldsmede tilhører insektordenen kendt som Odonata, betyder "tandet kæbe" på grund af deres takkede munddele.

"Disse gamle insekter fandtes længe før dinosaurerne udviklede sig, " forklarer Dejan Kulijer, fra Nationalmuseet i Bosnien-Hercegovina.

"De er en af ​​de ældste insektgrupper, der er på flugt og omfatter det største insekt, der nogensinde har levet - Griffenfluen - der havde et vingefang på mere end 70 cm."

Deres vinger er porøse, lagdelt struktur, der ligner en aerogel og er så stærke og lette, at de kan bære insektet op til 30 miles på en time.

"En guldsmede's vinger er en ultralet aerogel - som udgør mindre end 2% af insektets samlede kropsvægt - og alligevel er de så stærke, at de kan bære insektet tusindvis af kilometer på tværs af oceaner og mellem kontinenter, " siger Dr Šiller, som arbejdede på forskningen sammen med kolleger fra Newcastle University, Durham University og Limerick University, Irland, samt eksperter fra Nationalmuseet i Bosnien-Hercegovina.

"Det meste af dets livscyklus, guldsmede tilbringer under vandet i sit larvestadium (en periode på fra 30 dage til flere år). Ændringen fra larve til det voksne flyvende insekt repræsenterer irreversible ændringer i morfologi og fysiologi. Denne metamorfoseproces kan tage mellem 20 minutter og op til flere timer, afhængig af arten. Når guldsmede dukker op fra sin larvehud, dens vinger er som gelé, men inden for meget kort tid udvider de sig og hærder til at blive helt tørre.

"For at opnå dette, deres kroppe producerer bikarbonatmolekyler, som frigiver kuldioxidgas, der regulerer kropstrykket og tørrer vingerne på samme tid. Dette 'blæser' vandet ud for at efterlade en tør, stabil, let og stærk struktur.

"Vi replikerede denne proces i laboratoriet med aerogelen, at blæse vandet ud ved omgivelsestemperatur og med natriumbicarbonat."

Ideelle isolatorer

Aerogels blev først opdaget i 1931. Vejer typisk omkring 0,1 g/cm3 og består af 95 % luft, de har en termisk ledningsevne svarende til et vakuumpanel, hvilket gør dem ideelle isolatorer - ikke kun til at holde varmen i, men også holde hjemmene kølige.

Deres isolerende egenskaber og robusthed mod ældning, fugt og perforering gør dem til ideelle materialer til isolering i bygninger, men indtil nu har de høje produktionsomkostninger begrænset deres anvendelse.

Ved at tilføje bicarbonatopløsningsmidler til silicagelerne og bruge en innovativ kemisk proces, holdet tvang produktionen af ​​kuldioxid til at tørre gelen ud indefra og ud. På samme tid, CO2 er fanget i den sarte struktur, forhindre kollaps af aerogelen.

Fælles hovedforfatter Dr. Xiao Han, Newcastle University, sagde, at den nye teknik ville reducere produktionsomkostningerne med 96% - fra omkring $100 til $4 pr. kilogram.

"Ligesom en guldsmede's vinger, vores aerogel-materiale består af ultratynde lag af silica, hvilket betyder, at vi kan skabe en stærkere struktur. Det næste trin vil være at opskalere processen for at producere paneler af isoleringen, der kan bruges i boliger og bygninger for at hjælpe med at reducere vores energiforbrug og i sidste ende, vores regninger."