Огонь и лёд: сверхлёгкий эластичный материал выдерживает экстремальные перепады температур

Учёные создали теплоизолятор, который выдерживает перепады температуры до 275 °C в секунду и длительное хранение при температуре более 1000 °C, а также обладает уникальной лёгкостью и прочностью. Новинка найдёт применение в промышленности и космической технике.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Science группой во главе с Сянфэном Дуанем (Xiangfeng Duan) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

С 1990-х годов в качестве теплоизоляторов используются керамические аэрогели. Эти материалы, более чем на 99% по объёму состоящие из воздуха, необычайно легки, прочны и устойчивы к коррозии.

Однако применяющиеся сегодня варианты сравнительно быстро разрушаются после резких перепадов температур. Между тем их должна выдерживать, например, обшивка многоразового космического корабля, в атмосфере окутанного облаком раскалённой плазмы, а в космосе встречающегося с холодным вакуумом. Также негативно сказывается на свойствах стандартных материалов длительный нагрев.

В новой работе учёные создали керамический аэрогель, который имеет все достоинства своих "коллег" и лишён перечисленных недостатков.

Его плотность составляет всего 0,1 миллиграмма на кубический сантиметр, а теплопроводность – 2,4 и 20 милливатт на метр-Кельвин в вакууме и воздухе, соответственно. Другими словами, это очень лёгкий материал (на фотографии его фрагмент лежит на тычинках цветка) и к тому же превосходный теплоизолятор.

Вместе с тем образец выдержал сотни скачков от -198 °C до 900 °C, каждый из которых продолжался несколько секунд. В другом тесте материал неделю хранился при температуре 1400 °C и после этого потерял лишь 5% своей прочности.

В чём же секрет нового теплоизолятора?

"Ключом к долговечности нашего нового керамического аэрогеля является его уникальная архитектура, – объясняет Дуань. – Его "врождённая" гибкость помогает ему выдерживать нагрузку в виде экстремального нагрева и температурных перепадов, которые могут привести к выходу из строя других керамических аэрогелей".

Материал состоит из двойных нанослоёв нитрида бора, в которых атомы расположены в углах шестиугольных ячеек. Уникальная структура помогает веществу необычным образом реагировать на деформацию.

Представим себе, что мы сжали пальцами резиновое кольцо. Чем больше мы давим на него сверху и снизу, тем больше оно выпячивается с боков, превращаясь из кольца в горизонтальную полоску. Именно так реагируют на деформацию почти все материалы. Когда их сжимают с двух сторон, они расширяются в перпендикулярном направлении.

А вот детище авторов ведёт себя иначе. Оно тоже деформируется по перпендикулярной оси, но не расширяется, а сжимается.

Это свойство даёт ему необычайную устойчивость к деформации. Образец можно сжать так, что его новый объём составит 5% от первоначального, и он вернётся к прежнему виду, как только будет убрано давление. Для стандартных аэрогелей эта цифра составляет лишь 20%.

При чём здесь устойчивость к перепадам температур и длительному нагреву? Дело в том, что при нагревании этот материал не расширяется, "как все нормальные люди", а сжимается. И тут уж он использует свои уникальные способности к сжатию без потери прочности.

По мнению исследователей, материалы этого типа могут найти множество применений.

"Эти материалы могут быть полезны для теплоизоляции космических аппаратов, автомобилей или другого специализированного оборудования, – перечисляет Дуань. – Они также могут быть полезны для хранения тепловой энергии, катализа [химических реакций] или фильтрации [смесей]".

К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее рассказывали о полезных аэрогелях из пластиковых бутылок и отходов пивоварения.