UCLA-onderzoekers en medewerkers van acht andere onderzoeksinstellingen hebben een extreem licht, zeer duurzame keramische aerogel. Het materiaal kan worden gebruikt voor toepassingen zoals het isoleren van ruimtevaartuigen, omdat het bestand is tegen de intense hitte en ernstige temperatuurveranderingen die ruimtemissies ondergaan.

Keramische aerogels worden sinds de jaren negentig gebruikt om industriële apparatuur te isoleren, en ze zijn gebruikt om wetenschappelijke apparatuur te isoleren op NASA's Mars rover-missies. Maar de nieuwe versie is veel duurzamer na blootstelling aan extreme hitte en herhaalde temperatuurpieken, en veel lichter. De unieke atomaire samenstelling en microscopische structuur maken het ook ongewoon elastisch.

Als het verwarmd is, het materiaal krimpt in plaats van uit te zetten zoals andere keramiek doen. Het trekt ook loodrecht samen met de richting waarin het wordt samengedrukt - stel je voor dat je een tennisbal op een tafel drukt en het midden van de bal naar binnen beweegt in plaats van uit te zetten - het tegenovergestelde van hoe de meeste materialen reageren wanneer ze worden samengedrukt. Als resultaat, het materiaal is veel flexibeler en minder bros dan de huidige geavanceerde keramische aerogels:het kan worden gecomprimeerd tot 5 procent van het oorspronkelijke volume en volledig herstellen, terwijl andere bestaande aerogels kunnen worden gecomprimeerd tot slechts ongeveer 20 procent en vervolgens volledig herstellen.

Het onderzoek, die vandaag werd gepubliceerd in Wetenschap , werd geleid door Xiangfeng Duan, een UCLA hoogleraar scheikunde en biochemie; Yu Huang, een UCLA-hoogleraar materiaalwetenschap en techniek; en Hui Li van het Harbin Institute of Technology, China. De eerste auteurs van de studie zijn Xiang Xu, een bezoekende postdoctorale fellow in de chemie aan de UCLA van het Harbin Institute of Technology; Qiangqiang Zhang van Lanzhou University; en Menglong Hao van UC Berkeley en Southeast University.

Andere leden van het onderzoeksteam waren van UC Berkeley; Purdue universiteit; Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium; Hunan Universiteit, China; Lanzhou-universiteit, China; en King Saud University, Saoedi-Arabië.

Ondanks het feit dat meer dan 99 procent van hun volume uit lucht bestaat, aerogels zijn solide en structureel zeer sterk voor hun gewicht. Ze kunnen worden gemaakt van vele soorten materialen, inclusief keramiek, koolstof of metaaloxiden. In vergelijking met andere isolatoren, op keramiek gebaseerde aerogels zijn superieur in het blokkeren van extreme temperaturen, en ze hebben een ultralage dichtheid en zijn zeer goed bestand tegen vuur en corrosie - allemaal eigenschappen die zich goed lenen voor herbruikbare ruimtevaartuigen.

Maar de huidige keramische aerogels zijn zeer bros en hebben de neiging te breken na herhaalde blootstelling aan extreme hitte en dramatische temperatuurschommelingen, die beide veel voorkomen in de ruimtevaart.

Het nieuwe materiaal is gemaakt van dunne lagen boornitride, een keramiek, met atomen die zijn verbonden in zeshoekige patronen, zoals kippengaas.

In het door de UCLA geleide onderzoek het weerstond omstandigheden die typisch andere aerogels zouden breken. Het doorstond honderden blootstellingen aan plotselinge en extreme temperatuurpieken toen de ingenieurs de temperatuur in een testcontainer in slechts een paar seconden tussen min 198 graden Celsius en 900 graden boven nul brachten. Bij een andere proef het verloor minder dan 1 procent van zijn mechanische sterkte na een week te hebben bewaard bij 1, 400 graden Celsius.

"De sleutel tot de duurzaamheid van onze nieuwe keramische aerogel is de unieke architectuur, " Zei Duan. "De aangeboren flexibiliteit helpt het om het bonzen van extreme hitte en temperatuurschokken te weerstaan ​​​​die ertoe zouden leiden dat andere keramische aerogels zouden falen."

Gewone keramische materialen zetten gewoonlijk uit bij verhitting en krimpen bij afkoeling. Overuren, die herhaalde temperatuurveranderingen kunnen ertoe leiden dat die materialen breken en uiteindelijk falen. De nieuwe aerogel is ontworpen om duurzamer te zijn door precies het tegenovergestelde te doen:hij krimpt in plaats van uit te zetten bij verhitting.

In aanvulling, het vermogen van de aerogel om loodrecht samen te trekken in de richting waarin het wordt samengedrukt - zoals het voorbeeld van de tennisbal - helpt het herhaalde en snelle temperatuurveranderingen te overleven. (Die eigenschap staat bekend als een negatieve Poisson-ratio.) Het heeft ook interne "muren" die zijn versterkt met een dubbele ruitstructuur, die het gewicht van het materiaal vermindert en tegelijkertijd de isolerende eigenschappen verhoogt.

Duan zei dat de procesonderzoekers die zijn ontwikkeld om de nieuwe aerogel te maken, ook kunnen worden aangepast om andere ultralichte materialen te maken.

"Die materialen kunnen nuttig zijn voor thermische isolatie in ruimtevaartuigen, auto's of andere gespecialiseerde apparatuur, " zei hij. "Ze kunnen ook nuttig zijn voor thermische energieopslag, katalyse of filtratie."