Dome-vormige airgelarchitectuur biedt een superieure taaiheid en flexibiliteit voor ruimtevaartuigtoepassingen

Een nieuwe verzameling van chemisch diverse kenkelgecelleerde ultralichte aerogels met hoge porositeit en zeer lage dichtheid bevat elasticiteit en mechanische eigenschappen die intact blijven, zelfs onder extreme temperaturen van 4,2 kelvin (k) tot 2273 K.

In hun studie gepubliceerd in Wetenschaponderzoekers rapporteren 194 Dome-gecelleerde aerogels met meer dan 30 verschillende elementen met een breed scala aan chemische samenstellingen, waaronder 121 oxiden, 38 carbiden en 35 metalen soorten.

De koepelvormige structuur van de hydrogel, geïnspireerd door mechanisch superieure biologische en architecturale engineering, werd verkregen met behulp van een 2D-kanaalgebonden chemie-techniek met grafeenoxide (GO) -films als startmateriaal. Deze unieke geometrie biedt een uitstekende belastingdragende capaciteit en mechanische stabiliteit, waardoor een grotere opslag van elastische reksenergie mogelijk is in vergelijking met conventionele structuren.

Twee wetenschappers in de vroege jaren 1900 wedden op de vraag of men vloeistof uit een gelei kon verwijderen en het door lucht kon vervangen zonder de jelly die in grootte krimpt. De uitkomst van deze wetenschappelijke inzet was het creëren van airgel, een synthetisch ultralicht materiaal met hoge porositeit en lage dichtheid die gewoonlijk is afgeleid van silica en 50% -99,98% lucht per volume heeft.

Sinds hun creatie hebben aerogels toepassingen gevonden in thermische isolatie, medicijnafgifte, energieopslag, gasabsorptie en tal van andere velden. Ondanks hun veelzijdigheid lijden traditionele aerogels aan mechanische brosheid en slechte elasticiteit.

Om de beperkingen van de luchtprestaties te verleggen, ontwikkelden de onderzoekers aerogels die opmerkelijke superelasticiteit vertonen – met 99% stam meer dan 20.000 cycli – en uitzonderlijke thermische schokweerstand bij 2273 K over meer dan 100 cycli.

Om deze toestand te bereiken, hebben onderzoekers een eenvoudige methode ontwikkeld om kellige aerogels te maken met behulp van GO-films als uitgangsmateriaal, omdat ze dun, chemisch veelzijdig en commercieel verkrijgbaar zijn. De Airgele -synthese omvatte drie hoofdstappen: het vastleggen van ionen, het vormen van bubbels en het aanbrengen van warmte.

Voor de eerste stap werden de Go -films doorweekt in zoutoplossingen die enkele of meerdere ionenoorten bevatten. De gelaagde structuur van GO liet het water gemakkelijk binnen en vormde een beperkte 2D -ruimte die in staat is om ionen uit oplossingen te vangen via chelatie -interacties met de zuurstoffunctionele groepen Go.

Vervolgens werd een schuimmiddel toegevoegd om koepelvormige bubbels in de GO-lagen te genereren. Als laatste stap werden de koepelvormige bubbels onderworpen aan een thermisch behandelingsproces om de GO te verwijderen en om te zetten in de laatste nette aerogels.

De onderzoekers zorgden er ook voor dat de koepelcellen werden ontworpen om te worden onderling verbonden door oppervlaktecontact, omdat het cruciaal was om een efficiënte belastingoverdracht over het netwerk mogelijk te maken en de algehele elasticiteit van de aerogels te verbeteren.

Ze geloven dat de superieure fysieke eigenschappen van deze aerogels ze uitstekende kandidaten maken voor het eisen van thermomechanische toepassingen, variërend van warmte-geïsoleerde industriële systemen tot de harde omgevingen van diepe ruimte-exploratie.