Fleksibilni polimer aerogela visoke čvrstoće sa "super-izolacionim" osobinama

Često nazivan "zamrznuti dim", aerogel jeste jedan od neverovatnih materijala našeg doba, držeći čak petnaest Ginisovih svetskih rekorda. Međutim, uprkos listi neverovatnih osobina koju poseduju, tradicionalni aerogelovi su krti, lako se mrve i pucaju, što je dovoljno da ih zadrži dalje od praktičnih primena. Nova klasa mehaničkih robusnih polimera aerogela, otkrivenih od strane NASA Glen istraživačkog centra (NASA's Glenn Research Center) iz Ohaja, mogu uskoro omogućiti inženjerske aplikacije kao što je super-izolovana odeća, jedinstveni filteri, frižideri sa tanjim zidovima, i super-izolacija za zgrade.

Prvobitno sintentzovani 1931. godine, otkriće aerogelova je bio rezultat opklade između dva hemičara. Znajući da su gelovi najviše ispunjeni sa vodom, oni su izazvali jedan drugog da uklone vodu bez skupljanja samog gela. Sada su aerogelovi među najmanje gustim čvrstim stvarima, i poseduju specifičnu snagu na pritisak sličnu složenim grafitnim kompozitima koji se koriste u svemirskim istraživanjima, i obezbeđuju najmanju toplotnu provodljivost za bilo koju čvrstu materiju. Sa ovim nizom neverovatnih osobina, zašto ne vidimo više primena aerogelova?

Doktorka Meri En Meador (Mary Ann B. Meador), hemičarka zaposlena u NASA Glen istraživačkom centru, objašnjava da su uprkos ovim neverovatnim osobinama, tradicionalni aerogelovi napravljeni od silicijuma (silikcijum dioksida ili peska sa plaže) krti i da se lako lome i pucaju. Mada kod novih polimera aerogolova, to nije slučaj. Meadorova i njen tim su razvili posebno ohrabrujuću formu polimer aerogela, koji je jak, fleksibilan i otporan na savijanje, nabiranje, drobljenje i pritisak. Nova klasa polimer aerogelova je osvojila 2012 R&D100 nagradu.

"Novi aerogelovi su do 500 puta jači od aerogelova napravljenih od silicijuma", kaže Meadorova. "Deblji komad zapravo može da izdrži težinu automobila. I oni mogu biti proizvedeni u tankom obliku - filmu tako fleksibilnom da je širok spektar komercijalnih i industrijskih upotreba moguć."

Dakle, kako su zapravo Meadorova i njene kolege pristupile problemu sintenzovanja robusnih, fleksibilnih aerogelova? Raniji pokušaji da se proizvedu jači i više trajni aerogelovi su se fokusirali na uzimanje silikonskih aerogelova i postavljanje tankog sloja polimera na površinu strukture aerogela. Ovo može biti urađeno pomoću hemijskog taloženja, na primer, ali proces je veoma spor. (Takav sloj se može postići stavljanjem silicijum aerogela u male posude sa super lepkom, kao što izloženost isparenjima superlepka može da otkrije otiske prstiju premazujući mast koja ostaje.) Pored toga, većina polimera koji bi mogli biti deponovani na ovaj način imaju prilično niske temperature topljenja, dok mnoge od potencijalnih primena zahtevaju određeni stepen toplotne tolerancije.

Nova ideja je bila potrebna. Pošto je jedina uloga silicijumskog aerogela da da oblik atestiranim polimernim premazima, zašto ne bi smo videli da li polimerski aerogel može biti direktno formiran? Poliimidi kao što je Kapton generalno pokazuju otpornost na temperaturi od 400 stepeni Celzijusa ili većoj, su strukturalno veoma jaki, i imaju visoke temperaturne staklne tranzicije, pa su očigledni kandidat za takve aplikacije.

Nažalost, standardne metode za formiranje aerogelova su naletele na velike probleme. Kada su poliimidi u razblaženom rastvoru nanošeni i zatim podvrgnuti natkritičnim sušenjima, gelovi su se smanjili do 40%, što je dovelo do neprihvatljivo gustih materijala. Brojne varijacije su isprobane, pre svega bazirane na promeni osobina poliimida sa nizom aditiva, ali oni su bili nezadovoljavajući na više nivoa.

NASA istraživačka grupa je pokušala pristup unakrsnog povezivanja, gde su linerani poliamidi povezani sa jedinjenjima za prmeošćavanje kako bi formirali trodimenzionalni kovalentni polimer. Takvi polimeri su daleko krući od lineranih polimera, slično I profilu u poređenju sa okruglim profilom iste težine.

Oni su formirali gel na sobnoj temperaturi, i uspeli su da postignu praktično potpunu spregu između različitih trodimenzijonalnih polimera. Kada je ovaj gel podvrgnut natkritičnom sušenju, oni su bili u stanju da formiraju polimer aerogelove sa gustinama od 0.14 g/cc sa 90% poroznosti - daleko od rekordnih, ali dovoljno lagan da pruži korisne osobine kao što je veoma niska toplotna provodljivost.

Mikrografija nanoćilijske strukture aerogela (prikazana iznad) pokazuje pore u proseku oko deset nanometara u veličini. List ovog aerogela od 6 milimetara obezbeđuje izolacionu moć kao kod 8cm fiberglasa.

Nova klasa polimer aerogelova takođe ima superiorne mehaničke osobine. Na primer, silicijum aerogeli slične gustine imaju otpornost na kompresiju i tenzilni limit više od 100 puta manju od novih polimer aerogelova.

Silikonski aerogelovi bi bili pretvoreni u prah ako se postave pod automobilsku gumu. Kao što se na fotografiji vidi, isto ne važi i za nove polimer aerogelove, čak i ako je Smart u pitanju. Sve u svemu, mehaničke osobine su prilično slične poput onih od sintetičke gume, osim što aerogel ima iste osobine (i daleko manju toplotnu provodljivost) sa samo deset odsto težine.

Primene u industriji odeće, kao i pri izolovanju cevi, zgrada, bojlera i sličnih stvari su omogućene ovim materijalima. Šatori, vreće za spavanje i radna odela mogu imati koristi od ove kombinacije male težine i toplotne izolacije. NASA je čak razmatrala upotrebu novih polimer aerogelova kao toplotne štitove na naduvavanje. Praktičnost mnogih takvih primena će zavisiti od cene polimer aerogelova u komercijalnim količinama. U svakom slučaju, ove vrste proizvoda sada imaju još jednu dimenziju fleksibilnosti primena.