Nanocelulozowe aerożele o dużej wytrzymałości

Nanoceluloza / Foto:Xinjin Sui/utoronto.ca

Japońscy naukowcy użyli włókien nanocelulozowych wyekstrahowanych z roślin do stworzenia nowego typu aerożelu, który jest przezroczysty i posiada bardzo dobre właściwości izolacyjne, a przy tym jest wytrzymały mechanicznie.

Aerożele to ultralekkie materiały powstające poprzez zastąpienie cieczy uwięzionej w żelu gazem. Aerożel składa się zwykle z krzemu lub węgla i ma strukturę gąbki zbudowanej z losowo rozproszonych nanocząstek. Cechą wyróżniających aerożele jest ich ekstremalnie niska gęstość, a wraz nią wysoka izolacyjność cieplna i niestety kruchość, która ogranicza ich zastosowanie.

Tsuguyuki Saito wraz ze współpracownikami z Uniwersytetu w Tokio użyli nanowłókien celulozy jako budulca aerożeli. Nanowłókna celulozy produkowane przez rośliny mają strukturę krystaliczną o dobrej elastyczności, wytrzymałości porównywalnej z nanorurkami węglowymi i wystarczającą jednorodnością szerokości wynoszącą 3 nm. Dobre uporządkowanie nanowłókien wynika z biosyntezy, która daje bardziej jednorodne produkty niż to ma miejsce przy syntezie chemicznej.

Poprzez rozproszenie utlenionych nanowłókien celulozy w wodzie naukowcy otrzymali hydrożel w którym pojedyncze nanowłókna ułożyły się w strukturę ciekłego kryształu. Po ustabilizowaniu tej struktury za pomocą kwasu, przy użyciu etanolu wyparto wodę i poddano materiał suszeniu w warunkach nadkrytycznych otrzymując w ten sposób nanocelulozowy aerożel. Ponieważ nanowłókna w hydrożelu były ułożone w tym samym kierunku, końcowy aerożel składa się z w miarę homogenicznej struktury trójwymiarowej, niespotykanej dotychczas w tego typu materiałach.

Tokijscy naukowcy przeprowadzili testy nowego materiału, m. in. mechaniczne, podczas których ściskano aerożel o początkowej grubości 1 cm do końcowej 1 mm, i przy takiej próbie materiał nie uległ zniszczeniu. Co więcej, w odróżnieniu od aerożeli krzemowych czy węglowych, ten nanocelulozowy można wyginać nawet w formie skompresowanej. Badacze zauważyli, że wraz ze zwiększeniem gęstości wyjściowych włókien wzrasta wytrzymałość mechaniczna finalnego materiału.

W opinii Stephen Eichhorn z brytyjskiego Uniwersytetu Exter, eksperta w dziedzinie aerożeli, nowy materiał po raz pierwszy łączy przeciwstawne sobie właściwości, a więc przezroczystość, izolacyjność cieplną i wytrzymałość mechaniczną. Wkrótce wyzwaniem dla naukowców i przemysłu stanie się opracowanie technologii produkcji nowych aerożeli w większych ilościach.

(pj)