Forskere udvikler ultrastærke aerogeler med materialer, der bruges i skudsikre veste

Aerogeler er lette materialer med omfattende porer i mikroskala, som kan bruges i termisk isolering, energienheder, rumfartsstrukturer såvel som nye teknologier inden for fleksibel elektronik. Traditionelle aerogeler baseret på keramik har dog en tendens til at være sprøde, hvilket begrænser deres ydeevne i bærende strukturer. På grund af restriktioner fra deres byggesten kan nyligt udviklede klasser af polymere aerogeler kun opnå høj mekanisk styrke ved at ofre deres strukturelle porøsitet eller lette egenskaber.

Et forskerhold ledet af Dr. Lizhi Xu og Dr. Yuan Lin fra Department of Mechanical Engineering ved Det Tekniske Fakultet ved University of Hong Kong (HKU) har udviklet en ny type polymeraerogelmaterialer med enorme anvendelsesværdier for forskellige funktionelle enheder.

I denne undersøgelse, nu offentliggjort i Nature Communications , blev en ny type aerogel med succes skabt ved hjælp af et selvsamlet nanofibernetværk, der involverer aramider, eller Kevlar, et polymermateriale, der bruges i skudsikre veste og hjelme. I stedet for at bruge Kevlar-fibre i millimeterskala, brugte forskerholdet en opløsningsbehandlingsmetode til at sprede aramiderne til fibriller i nanoskala.

Interaktionerne mellem nanofibrene og polyvinylalkohol, en anden blød og "klistret" polymer, genererede et 3D fibrillært netværk med høj nodal forbindelse og stærk binding mellem nanofibrene. "Det er som et mikroskopisk 3D truss-netværk, og det lykkedes os at svejse trussene fast sammen, hvilket resulterede i et meget stærkt og sejt materiale, der kan modstå omfattende mekaniske belastninger, der overgår andre aerogel-materialer," sagde Dr. Xu.

Holdet har også brugt teoretiske simuleringer til at forklare de udviklede aerogelers fremragende mekaniske ydeevne. "Vi konstruerede en række forskellige 3D-netværksmodeller i computer, som fangede de væsentlige egenskaber ved nanofibrillære aerogeler," sagde Dr. Lin, der ledede de teoretiske simuleringer af forskningen.

"Nodalmekanikken i fibrillære netværk er essentiel for deres overordnede mekaniske adfærd. Vores simuleringer afslørede, at knudeforbindelsen og bindingsstyrken mellem fibrene påvirkede netværkets mekaniske styrke i mange størrelsesordener selv med det samme faste indhold," sagde Dr. Lin.

"Resultaterne er meget spændende. Vi udviklede ikke kun en ny type polymeraerogeler med fremragende mekaniske egenskaber, men gav også indsigt til design af forskellige nanofibrøse materialer," sagde Dr. Xu og tilføjede, "de simple fremstillingsprocesser for disse aerogeler også tillade dem at blive brugt i forskellige funktionelle enheder, såsom bærbar elektronik, termisk stealth, filtreringsmembraner og andre systemer," + Udforsk yderligere

Hård kulstof nanofiber aerogel bliver superelastisk