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中國科大研制仿北極熊毛發的隔熱氣凝膠

作者:宋檢 時間:2022-12-08 來源:互聯網

與人類或其他哺乳動物的毛發不同,北*熊的毛發是中空的。在顯微鏡下放大后,每一根毛發都存在空腔結構,這種中空的管狀結構不僅降低了北*熊毛的密度,而且有利于減小熱導率,阻隔熱量從北*熊的皮膚表面擴散到周圍的低溫環境中,值得設計新型人工隔熱材料效仿。

 

中國科學技術大學教授俞書宏領導的研究團隊受北*熊毛發中空結構的啟發,發展了一種人工合成類北*熊毛的中空碳管氣凝膠(CTA)的方法,該碳管氣凝膠表現出超彈性和低的熱導率。相關研究成果以Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation 為題,于6月6日發表在《化學》上(Chem 2019,CHEMJOURNAL-D-19-00185R1)。論文的**作者為博士研究生詹慧娟。

 

大自然歷經了億萬年的發展和進化,其豐富的結構與種類值得人們去學習和發展。該團隊利用一維納米線作為模板,通過模板法制備宏觀尺度的碳管氣凝膠(圖1)。由于其獨特的微觀結構,使該氣凝膠材料表現出優異的輕質、隔熱、疏水和機械性能(圖2)。其密度*低可達到8 kg/m3,低于絕大多數已報道的隔熱材料;它的接觸角為146o,在56%的相對濕度下放置120天,仍然能保持熱導率基本不變;由于中空碳管的內徑(35納米)遠小于空氣的平均自由程(75納米),管內的空氣幾乎不會傳遞熱量,因此碳管氣凝膠具有很好的隔熱性能,其*低熱導率僅為23 mW m-1 K-1,低于干燥空氣的熱導率。

 

該碳管氣凝膠具有宏觀尺度的三維網絡結構,因而具有超彈性,當自由落體的小鋼球落在碳管氣凝膠的表面時,高回彈速度(1434 mm s-1),即使在30%應變下壓縮一百萬次或者90%應變下壓縮一萬次,碳管氣凝膠仍然保持結構完整。研究人員還探究了其作為壓阻式傳感器的相關性質,在30%應變下壓縮一萬次以后,它的相對電阻值基本不變。

 

這種受北*熊毛發中空結構啟發設計合成的新型碳管氣凝膠有望可滿足*端條件下對高性能材料的需求,例如航天航空領域中應用的輕質隔熱保溫材料、彈性體材料等。

 

該項研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中科院前沿科學重點研究項目、中科院納米科學**創新中心、蘇州納米科技協同創新中心等的資助。

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