Aerogelerna har önskvärda egenskaper såsom lätt, halvtransparent och hög lastbärande förmåga. Kredit:University of Hong Kong
Aerogeler är lättviktsmaterial med omfattande mikroskaliga porer, som kan användas i värmeisolering, energiutrustning, rymdstrukturer, såväl som ny teknik för flexibel elektronik. Men traditionella aerogeler baserade på keramik tenderar att vara spröda, vilket begränsar deras prestanda i bärande strukturer. På grund av restriktioner från deras byggstenar kan nyligen utvecklade klasser av polymera aerogeler endast uppnå hög mekanisk hållfasthet genom att offra deras strukturella porositet eller lättviktsegenskaper.
En forskargrupp ledd av Dr Lizhi Xu och Dr Yuan Lin från Institutionen för maskinteknik vid fakulteten för teknik vid University of Hong Kong (HKU), har utvecklat en ny typ av polymera aerogelmaterial med stora tillämpningsvärden för olika funktionella enheter.
I denna studie, nu publicerad i Nature Communications , skapades en ny typ av aerogel framgångsrikt med hjälp av ett självmonterat nanofibernätverk som involverade aramider, eller Kevlar, ett polymermaterial som används i skottsäkra västar och hjälmar. Istället för att använda kevlarfibrer i millimeterskala använde forskargruppen en lösningsbearbetningsmetod för att sprida aramiderna till fibriller i nanoskala.
Interaktionerna mellan nanofibrerna och polyvinylalkohol, en annan mjuk och "klibbig" polymer, genererade ett 3D-fibrillärt nätverk med hög nodalanslutning och stark bindning mellan nanofibrerna. "Det är som ett mikroskopiskt 3D-fackverksnätverk, och vi lyckades svetsa ihop takstolarna ordentligt, vilket resulterade i ett mycket starkt och tufft material som tål omfattande mekaniska belastningar och överträffar andra aerogelmaterial", säger Dr. Xu.
Schema över monteringsprocessen av de sammansatta nanofiberaerogelerna. Kredit:University of Hong Kong
Svepelektronmikroskopbild som visar mikrostrukturen hos aerogelmaterialen. Kredit:University of Hong Kong
Både hög seghet och dragmodul uppnås av kompositnanofiberaerogelerna, jämfört med andra polymeraerogeler. Kredit:University of Hong Kong
Teamet har också använt teoretiska simuleringar för att förklara den enastående mekaniska prestandan hos de utvecklade aerogelerna. "Vi konstruerade en mängd olika 3D-nätverksmodeller i dator, som fångade de väsentliga egenskaperna hos nanofibrillära aerogeler", säger Dr Lin, som ledde de teoretiska simuleringarna av forskningen.
"Nodalmekaniken i fibrillära nätverk är avgörande för deras övergripande mekaniska beteenden. Våra simuleringar visade att nodkopplingen och bindningsstyrkan mellan fibrerna påverkade nätverkets mekaniska styrka i många storleksordningar även med samma fasta innehåll," sa Dr. Lin.
"Resultaten är mycket spännande. Vi utvecklade inte bara en ny typ av polymeraerogeler med utmärkta mekaniska egenskaper utan gav också insikter för utformningen av olika nanofibrösa material," sa Dr. Xu och tillade, "de enkla tillverkningsprocesserna för dessa aerogeler också tillåta dem att användas i olika funktionella enheter, såsom bärbar elektronik, termisk stealth, filtreringsmembran och andra system," + Utforska vidare
