Gli aerogel possiedono caratteristiche desiderabili come capacità di carico leggero, semitrasparente e ad alto carico. Credito:Università di Hong Kong
Gli aerogel sono materiali leggeri con pori a microscala estesi, che potrebbero essere utilizzati nell'isolamento termico, nei dispositivi energetici, nelle strutture aerospaziali e nelle tecnologie emergenti dell'elettronica flessibile. Tuttavia, gli aerogel tradizionali a base di ceramica tendono ad essere fragili, il che ne limita le prestazioni nelle strutture portanti. A causa delle restrizioni imposte dai loro blocchi costitutivi, classi di aerogel polimerici di recente sviluppo possono ottenere un'elevata resistenza meccanica solo sacrificando la loro porosità strutturale o le caratteristiche di leggerezza.
Un gruppo di ricerca guidato dal Dr. Lizhi Xu e dal Dr. Yuan Lin del Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Facoltà di Ingegneria dell'Università di Hong Kong (HKU), ha sviluppato un nuovo tipo di materiali polimerici aerogel con vasti valori applicativi per diversi dispositivi funzionali.
In questo studio, ora pubblicato su Nature Communications , un nuovo tipo di aerogel è stato creato con successo utilizzando una rete di nanofibre autoassemblata che coinvolge aramidi o Kevlar, un materiale polimerico utilizzato nei giubbotti antiproiettile e nei caschi. Invece di utilizzare fibre di Kevlar su scala millimetrica, il team di ricerca ha utilizzato un metodo di elaborazione della soluzione per disperdere le aramidi in fibrille su scala nanometrica.
Le interazioni tra le nanofibre e l'alcol polivinilico, un altro polimero morbido e "collante", hanno generato una rete fibrillare 3D con un'elevata connettività nodale e un forte legame tra le nanofibre. "È come una microscopica rete di tralicci 3D e siamo riusciti a saldare saldamente i tralicci, ottenendo un materiale molto forte e resistente in grado di resistere a carichi meccanici estesi, superando altri materiali aerogel", ha affermato il dottor Xu.
Schemi del processo di assemblaggio degli aerogel di nanofibre composite. Credito:Università di Hong Kong
Immagine al microscopio elettronico a scansione che mostra la microstruttura dei materiali dell'aerogel. Credito:Università di Hong Kong
Sia l'elevata tenacità che il modulo di trazione sono raggiunti dagli aerogel di nanofibre composite, rispetto ad altri aerogel polimerici. Credito:Università di Hong Kong
Il team ha anche utilizzato simulazioni teoriche per spiegare le eccezionali prestazioni meccaniche degli aerogel sviluppati. "Abbiamo costruito una varietà di modelli di rete 3D al computer, che hanno catturato le caratteristiche essenziali degli aerogel nanofibrillari", ha affermato il dott. Lin, che ha guidato le simulazioni teoriche della ricerca.
"La meccanica nodale delle reti fibrillari è essenziale per i loro comportamenti meccanici complessivi. Le nostre simulazioni hanno rivelato che la connettività nodale e la forza di legame tra le fibre hanno influenzato la resistenza meccanica della rete di molti ordini di grandezza anche con lo stesso contenuto solido", ha affermato Dott.ssa Lin.
"I risultati sono molto entusiasmanti. Non solo abbiamo sviluppato un nuovo tipo di aerogel polimerici con eccellenti proprietà meccaniche, ma abbiamo anche fornito spunti per la progettazione di vari materiali nanofibrosi", ha affermato il dott. Xu, aggiungendo, "anche i semplici processi di fabbricazione di questi aerogel consentirne l'uso in vari dispositivi funzionali, come dispositivi elettronici indossabili, stealth termico, membrane di filtrazione e altri sistemi", + Esplora ulteriormente
