Ett team av internationella forskare har skapat en ny form av högeffektiv, lågkostnadsisolering baserad på en trollsländas vingar.

Materialet, känd som en aerogel, är det mest porösa materialet som människan känner till och ultralätt, med en bit stor som en familjebil som väger mindre än ett kilo.

Började som en våt silikagel, liknande struktur som gelé, materialet torkas noggrant för att skapa en stark, poröst material. Men tills nu, att ta bort vattenmolekylerna utan att kollapsa den fina kiseldioxidstrukturen har varit lång, svår och dyr process och som en konsekvens, användningen av aerogeler har begränsats till ett fåtal mycket specialistuppgifter, som samlingen av stjärndamm i rymden.

Nu är ett team av experter ledda av Newcastle University, STORBRITANNIEN, har lyckats billigt replikera processen genom att efterlikna sättet som trollsländan torkar ut sina vingar.

Istället för att torka kiseldioxiden under hög temperatur och högt tryck, laget använde bikarbonat av läsk (samma som användes för att få kakor att jäsa) för att "blåsa" ut vattenmolekylerna, fångar koldioxidgas i porerna.

Publicerar sina resultat idag i den akademiska tidskriften Avancerade material , teamet säger att nästa steg blir att skala upp processen för att skapa större paneler som kan användas för att isolera våra hem och byggnader.

Dr Lidija Šiller, gemensam huvudförfattare och en forskare i nanoskala vid Newcastle University som arbetade med forskningen med Dr Xiao Han, Khalil Hassan och Dr Adrian Oila, även från Newcastle University, förklarar:

"Potentialen med denna upptäckt när det gäller att minska energianvändningen och därför våra energiräkningar är riktigt spännande.

"Aerogeler är ett fantastiskt material - säkert, lätta och tio gånger mer isolerande än vad vi använder nu – men fram tills nu har de varit utom räckhåll för de flesta av oss eftersom de är så dyra att tillverka. Vår forskning är ett steg mot att göra dem allmänt tillgängliga."

Att lära av naturen

Sländor tillhör den insektsordning som kallas Odonata, betyder "tandad käke" på grund av deras tandade mundelar.

"Dessa forntida insekter fanns långt innan dinosaurierna utvecklades, " förklarar Dejan Kulijer, från Nationalmuseet i Bosnien och Hercegovina.

"De är en av de äldsta insektsgrupperna att flyga och inkluderar den största insekten som någonsin levt - Griffenfly - som hade ett vingspann på mer än 70 cm."

Deras vingar är porösa, skiktad struktur som liknar en aerogel och är så starka och lätta att de kan bära insekten upp till 30 miles på en timme.

"En trollsländas vingar är en ultralätt aerogel - som utgör mindre än 2% av insektens totala kroppsvikt - och ändå är de så starka att de kan bära insekten tusentals mil över hav och mellan kontinenter, säger Dr Šiller, som arbetade med forskningen tillsammans med kollegor från Newcastle University, Durham University och Limerick University, Irland, samt experter från Nationalmuseet i Bosnien och Hercegovina.

"Större delen av dess livscykel, trollsländan tillbringar under vattnet i sitt larvstadium (en period som sträcker sig från 30 dagar till flera år). Förändringen från larv till den vuxna flygande insekten representerar irreversibla förändringar i morfologi och fysiologi. Denna metamorfosprocess kan ta mellan 20 minuter upp till flera timmar, beroende på art. När trollsländan kommer ut ur sin larvhud, dess vingar är som gelé men inom en mycket kort tid expanderar de och stelnar till att bli helt torra.

"För att uppnå detta, deras kroppar producerar bikarbonatmolekyler som frigör koldioxidgas som reglerar kroppstrycket och torkar vingar samtidigt. Detta "blåser" ut vattnet för att lämna en torr, stabil, lätt och stark struktur.

"Vi replikerade den här processen i labbet med aerogelen, blåser ut vattnet vid rumstemperatur och med natriumbikarbonat."

Idealiska isolatorer

Aerogeler upptäcktes först 1931. Väger vanligtvis runt 0,1 g/cm3 och består av 95 % luft, de har en värmeledningsförmåga som liknar en vakuumpanel, vilket gör dem till idealiska isolatorer - inte bara för att hålla värmen i, men också hålla hemmen svala.

Deras isolerande egenskaper och robusthet mot åldrande, fukt och perforering gör dem till idealiska material för isolering i byggnader, men hittills har de höga produktionskostnaderna begränsat deras användning.

Genom att tillsätta bikarbonatlösningsmedel i silikagelerna och använda en innovativ kemisk process, teamet tvingade produktionen av koldioxid för att torka ut gelén inifrån och ut. På samma gång, CO2 fångas i den känsliga strukturen, förhindra kollapsen av aerogelen.

Den gemensamma huvudförfattaren Dr Xiao Han, Newcastle University, sade att den nya tekniken skulle minska produktionskostnaden med 96 % - från cirka 100 USD till 4 USD per kilogram.

"Precis som en trollsländas vingar, vårt aerogelmaterial består av ultratunna lager av kiseldioxid vilket gör att vi kan skapa en starkare struktur. Nästa steg blir att skala upp processen för att producera paneler av isoleringen som kan användas i hem och byggnader för att hjälpa till att minska vår energianvändning och i slutändan, våra räkningar."