UCLA-forskare och samarbetspartners vid åtta andra forskningsinstitutioner har skapat en extremt lätt, mycket hållbar keramisk aerogel. Materialet kan användas för applikationer som isolerande rymdfarkoster eftersom det kan motstå den intensiva värmen och svåra temperaturförändringar som rymduppdrag utsätts för.

Keramiska aerogeler har använts för att isolera industriell utrustning sedan 1990-talet, och de har använts för att isolera vetenskaplig utrustning på NASA:s Mars-roveruppdrag. Men den nya versionen är mycket mer hållbar efter exponering för extrem värme och upprepade temperaturspikar, och mycket lättare. Dess unika atomsammansättning och mikroskopiska struktur gör den också ovanligt elastisk.

När den är uppvärmd, materialet drar ihop sig snarare än att expandera som annan keramik gör. Den drar sig också ihop vinkelrätt mot den riktning som den komprimeras - tänk dig att du trycker en tennisboll på ett bord och att bollens mitt rör sig inåt istället för att expandera ut - motsatsen till hur de flesta material reagerar när de komprimeras. Som ett resultat, materialet är mycket mer flexibelt och mindre sprött än nuvarande toppmoderna keramiska aerogeler:Det kan komprimeras till 5 procent av sin ursprungliga volym och återhämta sig helt, medan andra befintliga aerogeler kan komprimeras till endast cirka 20 procent och sedan återhämta sig helt.

Forskningen, som publicerades idag i Vetenskap , leddes av Xiangfeng Duan, en UCLA-professor i kemi och biokemi; Yu Huang, en UCLA-professor i materialvetenskap och ingenjörskonst; och Hui Li från Harbin Institute of Technology, Kina. Studiens första författare är Xiang Xu, en gästande postdoktor i kemi vid UCLA från Harbin Institute of Technology; Qiangqiang Zhang från Lanzhou University; och Menglong Hao från UC Berkeley och Southeast University.

Andra medlemmar i forskargruppen var från UC Berkeley; Purdue University; Lawrence Berkeley National Laboratory; Hunan University, Kina; Lanzhou University, Kina; och King Saud University, Saudiarabien.

Trots det faktum att mer än 99 procent av deras volym är luft, aerogeler är solida och strukturellt mycket starka för sin vikt. De kan tillverkas av många typer av material, inklusive keramik, kol- eller metalloxider. Jämfört med andra isolatorer, keramiska aerogeler är överlägsna när det gäller att blockera extrema temperaturer, och de har ultralåg densitet och är mycket motståndskraftiga mot eld och korrosion - alla egenskaper som lämpar sig väl för återanvändbara rymdfarkoster.

Men nuvarande keramiska aerogeler är mycket spröda och tenderar att spricka efter upprepad exponering för extrem värme och dramatiska temperatursvängningar, båda är vanliga vid rymdresor.

Det nya materialet är gjort av tunna lager bornitrid, en keramik, med atomer som är sammankopplade i hexagonmönster, som kycklingnät.

I den UCLA-ledda forskningen, den klarade förhållanden som vanligtvis skulle spräcka andra aerogeler. Den stod emot hundratals exponeringar för plötsliga och extrema temperaturspikar när ingenjörerna höjde och sänkte temperaturen i en testbehållare mellan minus 198 grader Celsius och 900 grader över noll på bara några sekunder. I ett annat test, den förlorade mindre än 1 procent av sin mekaniska styrka efter att ha lagrats i en vecka vid 1, 400 grader Celsius.

"Nyckeln till hållbarheten hos vår nya keramiska aerogel är dess unika arkitektur, ", sa Duan. "Dess medfödda flexibilitet hjälper den att ta de dunkande från extrem värme och temperaturchocker som skulle få andra keramiska aerogeler att misslyckas."

Vanliga keramiska material expanderar vanligtvis när de värms upp och drar ihop sig när de kyls. Över tid, dessa upprepade temperaturförändringar kan leda till att dessa material spricker och slutligen misslyckas. Den nya aerogelen designades för att vara mer hållbar genom att göra precis tvärtom - den drar ihop sig snarare än att expandera när den värms upp.

Dessutom, aerogelens förmåga att dra ihop sig vinkelrätt mot den riktning som den komprimeras – som exemplet med tennisboll – hjälper den att överleva upprepade och snabba temperaturförändringar. (Den egenskapen är känd som ett negativt Poissons förhållande.) Den har också invändiga "väggar" som är förstärkta med en dubbelglasstruktur, vilket minskar materialets vikt samtidigt som det ökar dess isoleringsförmåga.

Duan sa att processforskarna utvecklade för att göra den nya aerogelen också kunde anpassas för att göra andra ultralätta material.

"Dessa material kan vara användbara för värmeisolering i rymdfarkoster, bilar eller annan specialutrustning, " sa han. "De kan också vara användbara för lagring av värmeenergi, katalys eller filtrering."