Forskare har hittat ett sätt att göra ultralätta svampliknande material av keramiska fibrer i nanoskala. Det mycket porösa, komprimerbara och värmebeständiga svampar kan ha många användningsområden, från vattenreningsanordningar till flexibla isoleringsmaterial.

"Den grundläggande vetenskapliga frågan vi försökte svara på är hur kan vi göra ett material som är mycket deformerbart men motståndskraftigt mot hög temperatur, "sade Huajian Gao, en professor vid Brown University's Engineering School och en motsvarande författare till forskningen. "Detta papper visar att vi kan göra det genom att trassla in keramiska nanofibrer i en svamp, och metoden vi använder för att göra det är billig och skalbar att göra dessa i stora mängder. "

Arbetet, ett samarbete mellan Gaos lab på Brown och laboratorierna från Hui Wu och Xiaoyan Li vid Tsinghua University i Kina, beskrivs i tidningen Vetenskapliga framsteg .

Som alla som någonsin har tappat en blomvas vet väl, keramik är spröda material. Sprickor i keramik tenderar att sprida sig snabbt, vilket leder till katastrofalt misslyckande med minsta deformation. Även om det är sant för all traditionell keramik, saker är annorlunda på nanoskala.

"På nanoskala, sprickor och brister blir så små att det tar mycket mer energi att aktivera dem och få dem att sprida sig, "Sa Gao." Nanoskala fibrer främjar också deformationsmekanismer som det som kallas kryp, där atomer kan spridas längs korngränser, gör att materialet kan deformeras utan att gå sönder. "

På grund av den nanoskala dynamiken, material tillverkade av keramiska nanofibrer har potential att vara deformerbara och flexibla, samtidigt som värmebeständigheten bibehålls som gör keramik användbar i applikationer med hög temperatur. Problemet är att sådana material inte är lätta att göra. En metod som ofta används för att göra nanofibrer, känd som elektrospinning, fungerar inte bra med keramik. Ett annat potentiellt alternativ, 3D-lasertryck, är dyrt och tidskrävande.

Så forskarna använde en metod som kallas lösning som blåser, som hade utvecklats tidigare av Wu i hans laboratorium i Tsinghua. Processen använder lufttryck för att driva en flytande lösning som innehåller keramiskt material genom en liten sprutöppning. När vätskan kommer fram, det stelnar snabbt till nanoskala fibrer som samlas i en snurrande bur. Det uppsamlade materialet värms sedan upp, som bränner bort lösningsmedelsmaterialet och lämnar en massa trassliga keramiska nanofibrer som ser lite ut som en bomullstuss.

Forskarna använde metoden för att skapa svampar gjorda av en mängd olika typer av keramik och visade att materialen hade några anmärkningsvärda egenskaper.

Till exempel, svamparna kunde återhämta sig efter kompressionsbelastning upp till 50 procent, något som inget vanligt keramiskt material kan göra. Och svamparna kan bibehålla den motståndskraften vid temperaturer upp till 800 grader Celsius.

Forskningen visade också att svamparna hade en anmärkningsvärd kapacitet för högtemperaturisolering. I ett experiment, forskarna placerade ett blomblad ovanpå en 7 millimeter tjock svamp tillverkad av titandioxid (ett vanligt keramiskt material) nanofibrer. Efter uppvärmning av svampens botten till 400 grader Celsius i 10 minuter, blomman ovanpå vissnade knappt. Under tiden, kronblad placerade på andra typer av porösa keramiska material under samma förhållanden brändes till en skarp.

Svamparnas värmebeständighet och dess deformerbarhet gör dem potentiellt användbara som ett isolerande material där flexibilitet är viktigt. Till exempel, Gao säger, materialet kan användas som ett isolerande lager i brandmännens kläder.

En annan potentiell användning kan vara vid vattenrening. Titandioxid är en välkänd fotokatalysator som används för att bryta ner organiska molekyler, som dödar bakterier och andra mikroorganismer i vatten. Forskarna visade att en titandioxid -svamp kunde absorbera 50 gånger sin vikt i vatten som innehåller ett organiskt färgämne. Inom 15 minuter, svampen kunde bryta ned färgämnet under belysning. Med vattnet vrängt ut, svampen kan sedan återanvändas - något som inte kan göras med titandioxidpulver som normalt används vid vattenrening.

Förutom dessa, det kan finnas andra applikationer för keramiska svampar som forskarna ännu inte har övervägt.

"Processen vi använde för att göra dessa är extremt mångsidig; den kan användas med en mängd olika typer av keramiska utgångsmaterial, "sa Wu, en av motsvarande författare från Tsinghua. "Så vi tror att det finns stora möjligheter för potentiella applikationer."