Onderzoekers hebben een manier gevonden om ultralichte sponsachtige materialen te maken van keramische vezels op nanoschaal. De zeer poreuze, samendrukbare en hittebestendige sponzen kunnen tal van toepassingen hebben, van waterzuiveringsapparatuur tot flexibele isolatiematerialen.

"De fundamentele wetenschappelijke vraag die we probeerden te beantwoorden, is hoe we een materiaal kunnen maken dat zeer vervormbaar is maar bestand tegen hoge temperaturen, " zei Huajian Gao, een professor aan de Brown University's School of Engineering en een corresponderende auteur van het onderzoek. "Dit artikel laat zien dat we dat kunnen doen door keramische nanovezels in een spons te verstrengelen, en de methode die we gebruiken om dit te doen is goedkoop en schaalbaar om deze in grote hoeveelheden te maken."

Het werk, een samenwerking tussen Gao's lab in Brown en de labs van Hui Wu en Xiaoyan Li aan de Tsinghua University in China, staat beschreven in het journaal wetenschappelijke vooruitgang .

Zoals iedereen die ooit een bloemenvaas heeft laten vallen goed weet, keramiek is een bros materiaal. Scheuren in keramiek hebben de neiging zich snel voort te zetten, leidend tot catastrofaal falen met zelfs de geringste vervorming. Hoewel dat geldt voor alle traditionele keramiek, dingen zijn anders op nanoschaal.

"Op nanoschaal scheuren en gebreken worden zo klein dat het veel meer energie kost om ze te activeren en te laten voortplanten, " Gao zei. "Vezels op nanoschaal bevorderen ook vervormingsmechanismen zoals wat bekend staat als kruip, waar atomen langs korrelgrenzen kunnen diffunderen, waardoor het materiaal kan vervormen zonder te breken."

Vanwege die dynamiek op nanoschaal, materialen gemaakt van keramische nanovezels hebben het potentieel om vervormbaar en flexibel te zijn, met behoud van de hittebestendigheid die keramiek bruikbaar maakt in toepassingen bij hoge temperaturen. Het probleem is dat dergelijke materialen niet eenvoudig te maken zijn. Een veelgebruikte methode om nanovezels te maken, bekend als elektrospinnen, werkt niet goed met keramiek. Een andere mogelijke optie, 3D laserprinten, is duur en tijdrovend.

Dus gebruikten de onderzoekers een methode genaamd 'solution blow-spinning', die eerder door Wu was ontwikkeld in zijn laboratorium in Tsinghua. Het proces maakt gebruik van luchtdruk om een ​​vloeibare oplossing met keramisch materiaal door een kleine spuitopening te drijven. Als de vloeistof naar buiten komt, het stolt snel tot vezels op nanoschaal die worden verzameld in een draaiende kooi. Het verzamelde materiaal wordt vervolgens verwarmd, die het oplosmiddelmateriaal wegbrandt en een massa verwarde keramische nanovezels achterlaat die een beetje op een watje lijkt.

De onderzoekers gebruikten de methode om sponzen te maken die gemaakt waren van verschillende soorten keramiek en toonden aan dat de materialen enkele opmerkelijke eigenschappen hadden.

Bijvoorbeeld, de sponzen konden terugveren na drukbelasting tot 50 procent, iets dat geen standaard keramisch materiaal kan doen. En de sponzen kunnen die veerkracht behouden bij temperaturen tot 800 graden Celsius.

Het onderzoek toonde ook aan dat de sponzen een opmerkelijk vermogen hadden voor isolatie bij hoge temperaturen. In een experiment, de onderzoekers plaatsten een bloemblad op een 7 millimeter dikke spons gemaakt van titaniumdioxide (een veel voorkomend keramisch materiaal) nanovezels. Na het verwarmen van de bodem van de spons tot 400 graden Celsius gedurende 10 minuten, de bloem bovenop is nauwelijks verwelkt. In de tussentijd, bloemblaadjes die onder dezelfde omstandigheden op andere soorten poreuze keramische materialen waren geplaatst, werden knapperig verbrand.

De hittebestendigheid en de vervormbaarheid van de sponzen maken ze potentieel bruikbaar als isolatiemateriaal waar flexibiliteit belangrijk is. Bijvoorbeeld, Gao zegt, het materiaal zou kunnen worden gebruikt als isolerende laag in brandweerkleding.

Een ander potentieel gebruik zou in waterzuivering kunnen zijn. Titaandioxide is een bekende fotokatalysator die wordt gebruikt om organische moleculen af ​​te breken, die bacteriën en andere micro-organismen in water doodt. De onderzoekers toonden aan dat een spons van titaniumdioxide 50 keer zijn gewicht kon opnemen in water dat een organische kleurstof bevat. Binnen 15 minuten, de spons was in staat om de kleurstof onder belichting af te breken. Met het water uitgewrongen, de spons zou dan opnieuw kunnen worden gebruikt - iets dat niet kan worden gedaan met de titaniumdioxidepoeders die normaal worden gebruikt bij waterzuivering.

Als toevoeging op deze, er kunnen andere toepassingen zijn voor keramische sponzen die de onderzoekers nog niet hebben overwogen.

"Het proces dat we hebben gebruikt om deze te maken is extreem veelzijdig; het kan worden gebruikt met een grote verscheidenheid aan verschillende soorten keramische uitgangsmaterialen, " zei Wu, een van de corresponderende auteurs van Tsinghua. "Dus we denken dat er een enorm perspectief is op mogelijke toepassingen."