Materiais de superisolamento térmico com baixas condutividades térmicas são essenciais para isolamento térmico e proteção sob condições extremas. Esses materiais são particularmente necessários em áreas como exploração do espaço profundo, engenharia aeroespacial, mecânica e de energia térmica, que precisam de isolamento e confiabilidade excepcionais.



Os aerogéis inorgânicos exibiram muitas características superiores, como peso ultraleve, alta deformabilidade, excelente resistência ao fogo/corrosão e baixa condutividade térmica, demonstrando-se promissores em isolantes térmicos.

No entanto, os aerogéis inorgânicos ainda são atormentados por uma compensação entre as suas propriedades mecânicas e térmicas, apresentando um obstáculo importante para explorar ainda mais a sua funcionalidade. Embora o aprimoramento das propriedades mecânicas ou térmicas tenha sido bem estudado em aerogéis inorgânicos, ainda faltam estratégias sinérgicas eficientes para resolver esta compensação típica.

Em um novo artigo de pesquisa publicado na National Science Review , pesquisadores do Harbin Institute of Technology e da Southeast University apresentam um projeto de multi-nanocamadas quimicamente ligadas e síntese de um aerogel de grafeno/nitreto de boro amorfo (a-BNGA) para melhorar simultaneamente as propriedades mecânicas e térmicas.

Em contraste com trabalhos anteriores, a estrutura de grafeno é depositada uniformemente pela nanocamada a-BN em ambos os lados, formando uma estrutura multi-nanocamada quimicamente ligada. Verificou-se que as interfaces quimicamente ligadas ancoram firmemente a jaqueta uniforme de a-BN no esqueleto de grafeno, que atua através de um mecanismo semelhante a um tendão, garantindo uma deformação sinérgica e transferência de carga na estrutura.

Além disso, a nanocamada de a-BN pode aumentar a rigidez elástica das paredes celulares, proporcionando uma distribuição de momento fletor desejável, realizando um efeito de tenacidade acoplado para aumentar a resiliência estrutural.

O a-BNGA resultante apresenta uma densidade ultrabaixa com flexibilidade ultra-alta (deformação compressiva elástica de até 99%, deformação elástica de flexão de até 90%) e estabilidade térmica excepcional (quase nenhuma degradação de resistência após choques térmicos bruscos). Os pesquisadores demonstram a deformabilidade flexível pelo processo de dobra e desdobramento de uma flor de aerogel na mão humana.

Notavelmente, a nanocamada a-BN no aerogel, que excede 20% em volume, é mecanicamente crucial, mas termicamente inativa - um estado ideal para materiais de isolamento térmico. As contribuições de condução sólida e radiação, que juntas constituem a condutividade térmica aparente do material no vácuo. Beneficiando-se da escassez de caminhos de condução eficazes por baixa densidade e do espalhamento adicional de fônons por interface, a condução sólida pode ser efetivamente inibida.

Além disso, o grafeno pode ser usado como absorvedor de infravermelho para reduzir o transporte térmico radiativo. Os pesquisadores provaram experimentalmente este aerogel com baixa condutividade térmica no vácuo entre materiais sólidos independentes até o momento. Além disso, eles projetaram um modelo de base lunar trabalhando em alto vácuo para mostrar as capacidades de superisolamento térmico do aerogel em aplicações de exploração extraterrestre.

"Alcançamos uma combinação de propriedades mecânicas e térmicas excepcionais do aerogel inorgânico e definimos um sistema de material robusto para superisolamento térmico em condições extremas, como bases lunares e de Marte, satélites e naves espaciais", disse o Prof. Xiang Xu, "Este tipo de material e o projeto estrutural também pode fornecer oportunidades para que os aerogéis inorgânicos dotem outras funções únicas."

Mais informações: Hongxuan Yu et al, Aerogel inorgânico multi-nanocamada quimicamente ligado com uma condutividade térmica recorde no vácuo, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad129
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