Белые медведи вдохновили материаловедов

Китайские материаловеды разработали на редкость эффективный теплоизолирующий материал, воспроизводящий строение отдельных волосков шерсти полярного медведя. Масштабирование процесса может привести к производству углеродных теплоизолирующих аэрогелей, состоящих из большого количества таких «волосков». По мнению исследователей, эти аэрогели смогут найти применение в различных областях — от капитального строительства до аэрокосмической отрасли [1].

В наше время и в химии, и в материаловедении очень популярен биомиметический подход: создатели новых материалов используют потенциал «технических решений», сформировавшихся в живой природе в ходе эволюции. Например, в природе уже есть решения проблемы, как вывести из организма опасные патогены, сберечь тепло или облегчить вес тела [2].

Имитация уникальных бионических структур в работе над новыми материалами с потенциально перспективными свойствами имеет огромное значение для таких областей техники, как предотвращение замерзания, очистка воды от нефти, разделение газов. Очевидно, что подобные материалы должны отличаться долговечностью в эксплуатации и устойчивостью к внешним воздействиям.

Шерсть полярного медведя помогает переносить исключительный холод приполярного региона. Конечно же, эта ее способность уже давно привлекала внимание ученых из различных областей естественных наук [3]. В отличие от волос человека или других млекопитающих, волосы полярного медведя полые внутри. Если рассмотреть такой волос при большом увеличении, можно увидеть, что в центре каждого волоска есть длинная цилиндрическая полость, проходящая по всей длине волоса. Долгое время предполагалось, что форма и размеры этих полых областей в шерстинках полярных медведей просто придают их шубам узнаваемую белую окраску. Это так, но, кроме того, полые волосы полярного медведя помогают зверю сохранять тепло. Устойчивость волос к действию воды и эластичность — дополнительные свойства, которые исследователи хотели воспроизвести для получения идеального теплоизоляционного материала.

Исследователи из Научно-технического университета Китая (USTC), работающие под руководством ­Шу-Хон Ю (俞书宏, Shu-Hong Yu, [5]), решили получить материал, имитирующий строение шерсти полярного медведя. Для этого они синтезировали миллионы полых углеродных трубок, каждую из которых можно рассматривать как отдельный волосок полярного медведя. Полые углеродные трубки объединялись в новый материал — теплоизолирующий аэрогель.

Изготовление аэрогеля протекало в две стадии. Первая стадия заключалась в получении ориентированного гидрогеля — прекурсора теплоизолирующего аэрогеля. Первоначально в соответствии с уравнением реакции

TeO₂ + N₂H₄ × H₂O = Te + N₂↑+ 3H₂O

исследователи получили теллуровые нанопровода с диаметром 35 нм и длиной около 5 мм, которые уже зарекомендовали себя в качестве многоцелевых шаблонов для дальнейшей сборки более сложных наноструктур [4]. Затем на нанопровода нанесли слой молекул глюкозы, связавшихся с теллуром за счет межмолекулярных взаимодействий. Полученную «трубочку» из глюкозы с теллуровой сердцевиной нагрели до температуры 180 °C. При этой температуре глюкоза разлагается с отщеплением воды, в конечном итоге превращаясь в высокочистый углерод. В ходе процесса карбонизации соприкасающиеся теллуровые нанопровода в оболочке из глюкозы связывались друг с другом за счет химических связей между атомами углерода в единую систему. Поскольку в процессе карбонизации глюкозы не все молекулы воды сразу могли покинуть хитросплетение молекулярных проводов, образовывался ориентированный гидрогель.

На втором этапе ориентированный гидрогель превращали в аэрогель. Для этого сначала с помощью сверхкритической сушки избавлялись от воды, а затем в атмосфере аргона в течение трех часов нагревали материал при температуре 900 °C. При этой температуре теллур улетучивался, в результате чего образовывался углеродный теплоизолирующий аэрогель. Объем образца полученного материала составил около кубического сантиметра. Изучение аэрогеля с помощью просвечивающей электронной микроскопии показало, что углеродные трубки, из которых состоит аэрогель, однородны по размерам, и их внутренний диаметр составляет 35 нм — диаметр исходных нанопроводов из теллура.

Исследования показали, что углеродный теплоизолирующий аэрогель оказался очень эффективным. Во-первых, он легкий — его плотность составляет всего 8 кг/м3, что гораздо меньше, чем у большинства известных теплоизоляционных материалов. Во-вторых, его можно назвать супергидрофобным — его угол смачивания составляет 146°. Благодаря супергидрофобности теплопроводность нового материала не меняется во влажном воздухе, даже через 120 суток выдерживания в воздухе с влажностью 56%. Теплопроводность аэрогеля составляет 23 мВт/(м×К), что меньше, чем у сухого воздуха. Еще одна особенность нового материала — эластичность и долговечность. Он сохраняет структурную целостность после миллиона сжатий на 30% и после 10 тыс. сжатий на 90%.

В планах исследователей оптимизация условий синтеза нового теплоизоляционного углеродного материала — масштабирование процесса и получение не кубических сантиметров, а кубометров аэрогеля. Лишь после такого масштабирования можно будет вести речь о практическом применении углеродной имитации шкуры полярного медведя.

Аркадий Курамшин,
канд. хим. наук