Tym ciekawiej brzmi informacja o nowym typie ceramicznego aerogelu, który ma zachowywać się niemal jak gąbka lub sprężysty filc: mocno się ściska, skręca, wygina, a potem wraca do formy. I co ważne, nie tylko w komfortowych warunkach labu, ale w zakresie temperatur od kriogenicznych po ekstremalnie wysokie.
Co dokładnie opracowali badacze?
Kluczowe są tu dwie idee. Pierwsza to aerogel, czyli ultralekka, bardzo porowata struktura, która świetnie izoluje ciepło, bo w środku ma mnóstwo „powietrznych kieszeni”. Druga to ceramika wysokiej entropii, czyli materiał budowany z kilku różnych pierwiastków w jednej sieci krystalicznej. Taki miks potrafi stabilizować strukturę w wysokich temperaturach i ograniczać degradację, która w klasycznych ceramikach często zaczyna się przez rozrost ziaren i zmiany mikrostruktury.
W opisywanym rozwiązaniu użyto wysokiej entropii tlenkowej ceramiki o składzie (Gd1/2Lu1/2)2(Ti1/3Zr1/3Hf1/3)2O7, a sam aerogel zbudowano jako lekką „matę” z nanowłókien, m.in. przez elektroprzędzenie, a potem wygrzewanie. Brzmi technicznie, ale sens jest prosty: zamiast jednego kruchego monolitu dostajesz architekturę, która potrafi przyjąć odkształcenie, rozproszyć naprężenia i nie rozsypać się przy pierwszej próbie zgniecenia.
Najmocniejsze liczby są tu dwie. Materiał ma wytrzymywać sprężyste ściskanie do około 98% odkształcenia w zakresie od −196°C do 1500°C. Do tego dochodzą parametry izolacyjne: około 24,14 mW/mK w temperaturze pokojowej i około 81,21 mW/mK przy 1000°C, co brzmi jak obietnica nie tylko „przeżycia” w piekle termicznym, ale też realnego sensu użytkowego.
Dlaczego to może mieć znaczenie dla przemysłu?
Jeśli takie właściwości da się powtórzyć w skali produkcyjnej, lista zastosowań sama się pisze. Aerogele od lat kuszą branże, które chcą izolacji przy minimalnej masie: lotnictwo, kosmos, energetyka, przemysł wysokotemperaturowy. Problem w tym, że typowe ceramiczne aerogele są albo świetne termicznie, albo rozsypują się mechanicznie, gdy tylko próbujesz je docisnąć, zamocować, uszczelnić. Tu pojawia się scenariusz, w którym izolacja nie jest jednorazową wkładką „na styk”, tylko elementem, który zniesie montaż, wibracje i cykle pracy.
Ciekawy jest też wątek uszczelnień i „sealingu” w ekstremach. W praktyce wiele układów działa w warunkach, gdzie klasyczne elastomery nie dojeżdżają, a metale tracą sprężystość albo cierpią przez utlenianie i pełzanie. Sprężysta ceramika o strukturze aerogelu może być tu czymś w rodzaju brakującego ogniwa, lekkiego, odpornego i trudnego do „zmęczenia” termicznie.
To brzmi jak przyszłość, ale wciąż trzeba zadać kilka niewygodnych pytań
Ja lubię takie prace, bo one nie próbują wygrać świata jednym parametrem. Tu jednocześnie gra izolacja, odporność temperaturowa i mechanika, a to jest dokładnie ten zestaw, który w realnych zastosowaniach najczęściej się sypie. I pod tym względem pomysł z wysoką entropią ma sens: zamiast walczyć z naturą ceramiki, ktoś próbuje ją „ustabilizować” na poziomie struktury i chemii.
Ale jest też druga strona. Aerogel aerogelem, tylko przemysł zawsze pyta o powtarzalność, koszt i to, co dzieje się po tysiącach godzin w prawdziwym środowisku, z utlenianiem, zabrudzeniami, uderzeniami, drganiami i różnymi typami obciążeń. Do tego dochodzi skalowanie procesu: świetne właściwości nanostruktur często trudniej jest utrzymać, gdy zamiast próbki w dłoni chcesz mieć duży element w seryjnej produkcji.