Gąbka, która nie boi się płomienia
Właściwości nowego materiału faktycznie zaprzeczają temu, co wiemy o tradycyjnej ceramice. Potrafi się on skompresować do zaledwie 2% swojej pierwotnej objętości, a po zwolnieniu nacisku – wraca do pierwotnego kształtu. Można by pomyśleć, że taka giętka struktura nie poradzi sobie z wysoką temperaturą. Tymczasem aerożel zachowuje stabilność w niesłychanie szerokim zakresie: od mrozu ciekłego azotu (-196°C) aż po żar 1500°C. Co istotne, jego zdolności izolacyjne przewyższają wiele konwencjonalnych ceramik stosowanych w wysokich temperaturach. Dlaczego zwykła ceramika jest tak łamliwa? Winna jest jej budowa na poziomie atomów. Opiera się na bardzo silnych, ale i sztywnych wiązaniach. Gdy w materiale pojawi się mikropęknięcie, naprężenia nie są rozpraszane – pęknięcie rozchodzi się szybko, powodując katastrofalne zniszczenie. Dodatkowo, długotrwałe przebywanie w wysokiej temperaturze powoduje, iż ziarna wewnątrz materiału rosną, co pogarsza jego właściwości.
Czytaj też: Akumulatory litowo-siarkowe były zbyt piękne, by działać. Ten materiał to zmieni
Kluczem do przełamania tej słabości okazało się podejście zwane wysoką entropią. Chińscy badacze zamiast polegać na jednym dominującym tlenku metalu, wprowadzili do sieci krystalicznej mieszaninę pięciu różnych atomów metali w sposób niemal losowy. Ten „atomowy chaos” utrudnia propagację ciepła przez materiał. Równie ważne jest to, że taka struktura nie ulega „rozluźnieniu” w wysokich temperaturach, co chroni ją przed degradacją. Sam pomysł na chaos atomowy to jednak nie wszystko. Sekret tkwi także w mikroskopijnej budowie. Aerożel ma strukturę przypominającą trójwymiarową sieć z nanowłókien o grubości około 250 nanometrów. Przestrzeń między nimi jest pusta, a całość układa się w sprężynopodobne rusztowanie. To właśnie ta architektura odpowiada za elastyczność. Podczas ściskania włókna mogą się uginać i przesuwać względem siebie, równomiernie rozkładając naprężenia. W efekcie materiał zgina się, zamiast pękać.
Od hipersonicznych samolotów po kosmos
Potencjalne zastosowania takiego tworzywa są niezwykle szerokie i skupiają się tam, gdzie obecne materiały zawodzą. Może ono posłużyć jako lekka i wytrzymała izolacja termiczna dla pojazdów poruszających się z prędkością hipersoniczną, których powłoka nagrzewa się do białego żaru. Sprawdzi się również w turbinach, gdzie wibracje i cykliczne obciążenia termiczne są zabójcze dla klasycznej ceramiki. Kolejnym oczywistym kierunkiem jest przemysł kosmiczny. Nowy aerożel mógłby znaleźć zastosowanie w osłonach termicznych, uszczelnieniach czy podkładkach pracujących w warunkach kosmicznej próżni i ekstremalnych temperatur. Wszędzie tam, gdzie potrzebna jest jednocześnie niemal absolutna odporność na ciepło i pewna doza elastyczności, ten wynalazek ma szansę zaistnieć.
Czytaj też: Te okna prawie nie tracą ciepła. MOCHI wywróci rynek termomodernizacji do góry nogami
Pełne wyniki badań zostały udostępnione w czasopiśmie Advanced Science. To mocny dowód na naukową wartość odkrycia, które rzeczywiście przesuwa granice inżynierii materiałowej. Trzeba jednak pamiętać, że droga od publikacji w prestiżowym piśmie do komercyjnego zastosowania bywa długa i wyboista. Obiecujące właściwości w laboratorium to jedno, a produkcja na skalę przemysłową przy rozsądnych kosztach – to zupełnie inna historia. Jeśli Chińczykom uda się pokonać te przeszkody, możemy być świadkami prawdziwej rewolucji w zaawansowanych technologiach. Na razie warto obserwować rozwój tej technologii z zainteresowaniem, ale i pewnym dystansem.
Perspektywy są ekscytujące, lecz w świecie materiałów przełomowe odkrycia często napotykają bariery ekonomiczne. Kluczowe będzie, czy uda się opracować wydajną i opłacalną metodę produkcji, która pozwoli na stosowanie aerożelu poza niszowymi, superkosztownymi projektami. Sukces w tej dziedzinie otworzyłby drzwi do technologii, o których dziś czytamy głównie w powieściach science-fiction. Czas pokaże, czy ten właśnie materiał stanie się kiedyś standardem w przemyśle wysokich technologii.