Material é ultraleve e tolerante a altas temperaturas

Material é ultraleve e tolerante a altas temperaturas

Pesquisadores e colaboradores da UCLA em oito outras instituições de pesquisa criaram um aerogel cerâmico extremamente leve e muito durável. O material pode ser usado para aplicações como espaçonaves isolantes, pois ele pode suportar o calor intenso e as mudanças severas de temperatura que as missões espaciais sofrem.

Aerogéis cerâmicos têm sido usados ​​para isolar equipamentos industriais desde a década de 1990, e eles têm sido usados ​​para isolar equipamentos científicos em missões de rover da NASA em Marte. Mas a nova versão é muito mais durável após a exposição ao calor extremo e repetidos picos de temperatura, e muito mais leve. Sua composição atômica exclusiva e estrutura microscópica também a tornam extraordinariamente elástica.

Quando aquecido, o material se contrai, em vez de se expandir como as outras cerâmicas. Também se contrai perpendicularmente à direção que está comprimida - imagine pressionar uma bola de tênis em uma mesa e fazer com que o centro da bola se mova para dentro ao invés de se expandir - o oposto de como a maioria dos materiais reage quando comprimida. Como resultado, o material é muito mais flexível e menos frágil do que os atuais aerogéis cerâmicos de última geração: ele pode ser comprimido até 5% de seu volume original e se recuperar totalmente, enquanto outros aerogéis existentes podem ser comprimidos para apenas cerca de 20 por cento e, em seguida, recuperar totalmente.

A pesquisa, publicada hoje na Science , foi liderada por Xiangfeng Duan, professor de química e bioquímica da UCLA; Yu Huang, professor de ciência e engenharia de materiais da UCLA; e Hui Li, do Instituto de Tecnologia de Harbin, na China. Os primeiros autores do estudo são Xiang Xu, um colega de pós-doutorado em química na UCLA do Instituto de Tecnologia de Harbin; Qiangqiang Zhang da Universidade de Lanzhou; e Menglong Hao da UC Berkeley e da Southeast University.

Outros membros da equipe de pesquisa eram da UC Berkeley; Universidade de Purdue; Lawrence Berkeley National Laboratory; Universidade de Hunan, China; Universidade de Lanzhou, China; e a Universidade Rei Saud, na Arábia Saudita.

Apesar do fato de que mais de 99% de seu volume é o ar, os aerogéis são sólidos e estruturalmente muito fortes para o seu peso. Eles podem ser feitos de vários tipos de materiais, incluindo cerâmicas, óxidos de carbono ou de metal. Comparado com outros isoladores, os aerogéis baseados em cerâmica são superiores em bloquear temperaturas extremas, e possuem densidade ultrabaixa e são altamente resistentes ao fogo e à corrosão - todas qualidades que se prestam bem a espaçonaves reutilizáveis.

Mas os aerogéis cerâmicos atuais são altamente frágeis e tendem a fraturar após exposição repetida a calor extremo e a variações dramáticas de temperatura, ambos comuns em viagens espaciais.

O novo material é feito de finas camadas de nitreto de boro, uma cerâmica, com átomos que estão conectados em padrões hexagonais, como o fio de galinha.

Na pesquisa conduzida pela UCLA, ela resistiu a condições que normalmente fraturariam outros aerogéis. Ele resistiu a centenas de exposições a picos súbitos e extremos de temperatura quando os engenheiros aumentaram e reduziram a temperatura em um contêiner de testes entre 198 graus Celsius negativos e 900 graus acima de zero em apenas alguns segundos. Em outro teste, ele perdeu menos de 1% de sua resistência mecânica depois de ser armazenado por uma semana a 1.400 graus Celsius.

"A chave para a durabilidade do nosso novo aerogel cerâmico é a sua arquitetura única", disse Duan. "Sua flexibilidade inata ajuda a eliminar o impacto de choques extremos de calor e temperatura que causariam a falha de outros aerogéis de cerâmica."

Materiais cerâmicos comuns geralmente se expandem quando aquecidos e se contraem quando são resfriados. Com o tempo, essas repetidas mudanças de temperatura podem levar esses materiais a fraturar e, finalmente, falhar. O novo aerogel foi projetado para ser mais durável, fazendo exatamente o oposto - ele se contrai, em vez de se expandir quando aquecido.

Além disso, a capacidade do aerogel de se contrair perpendicularmente à direção que está sendo comprimida - como o exemplo da bola de tênis - ajuda a sobreviver a mudanças de temperatura repetidas e rápidas. (Essa propriedade é conhecida como uma razão negativa de Poisson.) Ela também tem "paredes" internas que são reforçadas com uma estrutura de painel duplo, que reduz o peso do material e aumenta suas habilidades de isolamento.

Duan disse que o processo desenvolvido pelos pesquisadores para tornar o novo aerogel também pode ser adaptado para produzir outros materiais ultra-leves.

"Esses materiais podem ser úteis para o isolamento térmico em veículos espaciais, automóveis ou outros equipamentos especializados", disse ele. "Eles também podem ser úteis para armazenamento de energia térmica, catálise ou filtração".


Artigo:

Xiang Xu, Qiangqiang Zhang, Menglong Hao, Yuan Hu, Zhaoyang Lin, Lele Peng, Tao Wang, Xuexin Ren, Chen Wang, Zipeng Zhao, Chengzhang Wan, Huilong Fei, Lei Wang, Jian Zhu, Hongtao Sun, Wenli Chen, Tao Du, Biwei Deng, Gary J. Cheng, Imran Shakir, Chris Dames, Timothy S. Fisher, Xiang Zhang, Hui Li, Yu Huang, Xiangfeng Duan. Double-negative-index ceramic aerogels for thermal superinsulation. Science, 2019 DOI: 10.1126/science.aav7304

Fonte:

www.sciencedaily.com