Шаблон инженерной мечты: создан теплоизолятор, вдохновлённый шерстью белого медведя

Полярные, или белые, медведи имеют сразу несколько адаптаций, без которых не смогли бы выжить в суровых арктических условиях с низкими температурами и высокой влажностью. Во-первых, это толстый – до десяти сантиметров – слой подкожного жира. Во-вторых, чёрная кожа, благодаря которой животные быстрее согреваются и высыхают, ведь чёрный цвет лучше других поглощает свет и тепло.

Но главный теплоизоляционный секрет этих хищников кроется в их полупрозрачной шубе. Да-да, белые медведи на самом деле не белые: их шерсть лишена пигментной окраски, а шерстинки полые (в отличие от шерсти и волос прочих млекопитающих и людей). Они пропускают только ультрафиолетовые лучи и при этом предотвращают отвод тепла от тела животного. Два других важных свойства этих волосков – выдающаяся эластичность и способность отталкивать воду.

Такая задумка природы давно восхищает учёных: шерсть белого медведя стала "шаблоном мечты" для инженеров, создающих синтетические материалы с теплоизоляционными свойствами.

И теперь исследователи из Научно-технического университета Китая разработали теплоизолятор, воспроизводящий структуру отдельных волосков белого медведя.

В ходе работы специалисты создали нанопроводки из теллура. Сверху их покрыли углеродными оболочками, которые в ходе химической реакции образовали гидрогель. Последний затем высушили. Путём прокаливания в инертной атмосфере учёные удалили теллур и получили аэрогель из углеродных нанотрубок.

Они получились полыми (внутренний диаметр – 35 нанометров, длина – 5 микрометров) и похожими на шерстинки белого медведя. Отметим, что в данном случае на выходе химики имели не отдельные нанотрубки, а сеть из них.

Авторы работы утверждают, что получившийся материал обладает превосходными теплоизоляционными свойствами: его теплопроводность ниже, чем у сухого воздуха (воздух в полостях внутри нанотрубок практически не проводит тепло).

Кроме того, минимальная плотность материала составляет всего восемь килограммов на кубический метр. Таким образом, новый аэрогель легче, чем большинство современных теплоизоляторов.

Ещё один весомый плюс: вода на материал практически никак не воздействует. Так, за счёт своей удивительной шерсти белые медведи не замерзают, прыгая в ледяную воду и просто находясь в условиях влажной и холодной Арктики.

Наконец, материал оказался необычайно эластичным: нанотрубки по этому параметру даже превзошли волоски белых медведей. Тесты показали, что аэрогель может сохранять свою структуру после миллиона циклов сжатия при 30%-ной деформации и десяти тысяч циклов сжатия при 90%-ной деформации.

В будущем основными областями применения нового материалы станет строительная и аэрокосмическая сфера, считают китайские исследователи.

Однако сперва им предстоит преодолеть ряд ограничений. Во-первых, нужно будет модифицировать производственный процесс, чтобы иметь возможность создавать такие теплоизоляционные материалы в промышленных масштабах (пока что учёные получили лишь экспериментальные образцы диаметром в несколько сантиметров). Во-вторых, чтобы технология была коммерчески жизнеспособной, придётся найти замену теллуру, ведь это довольно редкий и дорогой полуметалл.

Научная статья по итогам этой работы опубликована в журнале Chem.

Напомним, что ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о других аэрогелях с теплоизоляционными свойствами. В последнее время подобные материалы становятся ещё и экологичными: их изготавливают, к примеру, из отходов пивоварения и из пластиковых бутылок. А настоящий переворот в мире теплоизоляции может устроить "нанодревесина".