Aerogels zijn lichtgewicht materialen met uitgebreide poriën op microschaal, die kunnen worden gebruikt in thermische isolatie, energie-apparaten, ruimtevaartstructuren, evenals opkomende technologieën van flexibele elektronica. Traditionele aerogels op basis van keramiek zijn echter vaak broos, wat hun prestaties in dragende constructies beperkt. Vanwege de beperkingen die hun bouwstenen met zich meebrengen, kunnen recent ontwikkelde klassen van polymere aerogels alleen een hoge mechanische sterkte bereiken door hun structurele porositeit of lichtgewicht eigenschappen op te offeren.

Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Lizhi Xu en Dr. Yuan Lin van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Faculteit Ingenieurswetenschappen van de Universiteit van Hong Kong (HKU), heeft een nieuw type polymere aerogelmaterialen ontwikkeld met enorme toepassingswaarden voor diverse functionele apparaten.

In deze studie, nu gepubliceerd in Nature Communications , werd met succes een nieuw type aerogel gemaakt met behulp van een zelf-geassembleerd nanovezelnetwerk met aramides, of Kevlar, een polymeermateriaal dat wordt gebruikt in kogelvrije vesten en helmen. In plaats van Kevlar-vezels op millimeterschaal te gebruiken, gebruikte het onderzoeksteam een ​​oplossingsverwerkingsmethode om de aramides in fibrillen op nanoschaal te dispergeren.

De interacties tussen de nanovezels en polyvinylalcohol, een ander zacht en "lijmachtig" polymeer, genereerden een 3D-fibrillair netwerk met een hoge knoopconnectiviteit en een sterke binding tussen de nanovezels. "Het is als een microscopisch 3D-truss-netwerk en we zijn erin geslaagd om de spanten stevig aan elkaar te lassen, wat resulteert in een zeer sterk en taai materiaal dat bestand is tegen uitgebreide mechanische belastingen en beter presteert dan andere aerogel-materialen," zei Dr. Xu.

Het team heeft ook theoretische simulaties gebruikt om de uitstekende mechanische prestaties van de ontwikkelde aerogels te verklaren. "We hebben een verscheidenheid aan 3D-netwerkmodellen in de computer geconstrueerd, die de essentiële kenmerken van nanofibrillaire aerogels hebben vastgelegd", zei Dr. Lin, die de theoretische simulaties van het onderzoek leidde.

"De knoopmechanica van fibrillaire netwerken is essentieel voor hun algehele mechanische gedrag. Onze simulaties onthulden dat de knoopconnectiviteit en de bindingssterkte tussen de vezels de mechanische sterkte van het netwerk met vele orden van grootte beïnvloedden, zelfs met hetzelfde vastestofgehalte," zei Dr. Lin.

"De resultaten zijn zeer opwindend. We hebben niet alleen een nieuw type polymeer-aerogels ontwikkeld met uitstekende mechanische eigenschappen, maar hebben ook inzichten verschaft voor het ontwerp van verschillende nanovezelmaterialen," zei Dr. Xu, eraan toevoegend, "de eenvoudige fabricageprocessen voor deze aerogels ook ze kunnen worden gebruikt in verschillende functionele apparaten, zoals draagbare elektronica, thermische stealth, filtratiemembranen en andere systemen," + Verder verkennen

Aerogel van harde koolstof nanovezel wordt superelastisch