I ricercatori dell'UCLA e i collaboratori di altri otto istituti di ricerca hanno creato un ambiente estremamente leggero, aerogel in ceramica molto resistente. Il materiale potrebbe essere utilizzato per applicazioni come l'isolamento di veicoli spaziali perché può resistere al calore intenso e ai forti sbalzi di temperatura che sopportano le missioni spaziali.

Gli aerogel ceramici sono stati utilizzati per isolare le apparecchiature industriali sin dagli anni '90, e sono stati utilizzati per isolare le apparecchiature scientifiche nelle missioni rover su Marte della NASA. Ma la nuova versione è molto più durevole dopo l'esposizione a calore estremo e picchi di temperatura ripetuti, e molto più leggero. La sua composizione atomica unica e la sua struttura microscopica lo rendono anche insolitamente elastico.

Quando è riscaldato, il materiale si contrae invece di espandersi come fanno le altre ceramiche. Si contrae anche perpendicolarmente alla direzione in cui viene compresso:immagina di premere una pallina da tennis su un tavolo e di far muovere il centro della pallina verso l'interno anziché espandersi all'esterno, l'opposto di come la maggior parte dei materiali reagisce quando viene compressa. Di conseguenza, il materiale è molto più flessibile e meno fragile degli attuali aerogel ceramici all'avanguardia:può essere compresso al 5% del suo volume originale e recuperato completamente, mentre altri aerogel esistenti possono essere compressi solo al 20% circa e quindi recuperati completamente.

La ricerca, che è stato pubblicato oggi in Scienza , era guidato da Xiangfeng Duan, un professore UCLA di chimica e biochimica; Yu Huang, un professore UCLA di scienza e ingegneria dei materiali; e Hui Li dell'Istituto di tecnologia di Harbin, Cina. I primi autori dello studio sono Xiang Xu, un borsista post-dottorato in chimica presso l'UCLA dell'Harbin Institute of Technology; Qiangqiang Zhang dell'Università di Lanzhou; e Menglong Hao della UC Berkeley e della Southeast University.

Altri membri del gruppo di ricerca provenivano dall'Università di Berkeley; Università di Purdue; Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley; Università di Hunan, Cina; Università di Lanzhou, Cina; e la King Saud University, Arabia Saudita.

Nonostante il fatto che oltre il 99 percento del loro volume sia aria, gli aerogel sono solidi e strutturalmente molto resistenti per il loro peso. Possono essere realizzati con molti tipi di materiali, compresa la ceramica, ossidi di carbonio o metallici. Rispetto ad altri isolanti, gli aerogel a base di ceramica sono superiori nel bloccare temperature estreme, e hanno una densità ultrabassa e sono altamente resistenti al fuoco e alla corrosione, tutte qualità che si prestano bene a veicoli spaziali riutilizzabili.

Ma gli aerogel ceramici attuali sono molto fragili e tendono a rompersi dopo l'esposizione ripetuta a calore estremo e sbalzi di temperatura drammatici, entrambi sono comuni nei viaggi nello spazio.

Il nuovo materiale è costituito da sottili strati di nitruro di boro, una ceramica, con atomi che sono collegati in schemi esagonali, come filo di pollo.

Nella ricerca condotta dall'UCLA, ha resistito a condizioni che tipicamente fratturano altri aerogel. Ha resistito a centinaia di esposizioni a picchi di temperatura improvvisi ed estremi quando gli ingegneri hanno alzato e abbassato la temperatura in un contenitore di prova tra meno 198 gradi Celsius e 900 gradi sopra lo zero in pochi secondi. In un'altra prova, ha perso meno dell'1 percento della sua resistenza meccanica dopo essere stato immagazzinato per una settimana a 1, 400 gradi Celsius.

"La chiave per la durata del nostro nuovo aerogel ceramico è la sua architettura unica, " Ha detto Duan. "La sua innata flessibilità lo aiuta a sopportare il martellamento del calore estremo e degli shock termici che causerebbero il fallimento di altri aerogel ceramici".

I materiali ceramici ordinari di solito si espandono quando vengono riscaldati e si contraggono quando vengono raffreddati. Col tempo, quei ripetuti sbalzi di temperatura possono portare quei materiali a rompersi e infine fallire. Il nuovo aerogel è stato progettato per essere più durevole facendo esattamente il contrario:si contrae invece di espandersi quando riscaldato.

Inoltre, la capacità dell'aerogel di contrarsi perpendicolarmente alla direzione in cui viene compresso, come l'esempio della pallina da tennis, lo aiuta a sopravvivere a ripetuti e rapidi cambiamenti di temperatura. (Questa proprietà è nota come rapporto di Poisson negativo.) Ha anche "muri" interni rinforzati con una struttura a doppio pannello, che riduce il peso del materiale aumentandone le capacità isolanti.

Duan ha affermato che il processo sviluppato dai ricercatori per realizzare il nuovo aerogel potrebbe anche essere adattato per realizzare altri materiali ultraleggeri.

"Questi materiali potrebbero essere utili per l'isolamento termico nei veicoli spaziali, automobili o altre attrezzature specializzate, " ha detto. "Potrebbero essere utili anche per l'accumulo di energia termica, catalisi o filtrazione."