Et team af internationale videnskabsmænd har skabt en ny form for højeffektiv, billig isolering baseret på vingerne på en guldsmede.
Materialet, kendt som en aerogel, er det mest porøse materiale, som mennesket kender og ultralet, med et stykke på størrelse med en familiebil, der vejer mindre end et kilogram.
Begyndende som en våd silicagel, der i struktur ligner gelé, tørres materialet omhyggeligt for at skabe et stærkt, porøst materiale. Men indtil nu har det været en lang, vanskelig og dyr proces at fjerne vandmolekylerne uden at kollapse den fine silicastruktur, og som en konsekvens heraf har brugen af aerogeler været begrænset til nogle få meget specialiserede opgaver, såsom opsamling af stjernestøv i rummet.
Nu har et team af eksperter ledet af Newcastle University, Storbritannien, formået at kopiere processen billigt ved at efterligne den måde, hvorpå guldsmede tørrer sine vinger ud.
I stedet for at tørre silicaen under høj temperatur og tryk, brugte holdet bikarbonat af sodavand (det samme, der bruges til at få kager til at hæve) til at 'blæse' vandmolekylerne ud og fange kuldioxidgas i porerne.
I dag offentliggør holdet deres resultater i det akademiske tidsskrift Advanced Materials og siger, at næste skridt vil være at opskalere processen for at skabe større paneler, der kan bruges til at isolere vores hjem og bygninger.
Dr. Lidija Šiller, fælles hovedforfatter og en videnskabsmand i nanoskala ved Newcastle University, der arbejdede på forskningen sammen med Dr. Xiao Han, Khalil Hassan og Dr. Adrian Oila, også fra Newcastle University, forklarer:
"Denne opdagelses potentiale i forhold til at reducere energiforbruget og derfor vores energiregning er virkelig spændende.
"Aerogeler er et fantastisk materiale - sikkert, let og ti gange mere isolerende end det, vi bruger nu - men indtil nu har de været uden for rækkevidde for de fleste af os, fordi de er så dyre at lave. Vores forskning er et skridt hen imod at gøre dem bredt tilgængelige."
Lær af naturen
Lidesmede hører til insektordenen kendt som Odonata, hvilket betyder "tandkæbe" på grund af deres takkede munddele.
"Disse gamle insekter fandtes længe før dinosaurerne udviklede sig," forklarer Dejan Kulijer fra Bosnien-Hercegovinas Nationalmuseum.
"De er en af de ældste insektgrupper, der er på flugt og omfatter det største insekt, der nogensinde har levet - Griffenfluen - som havde et vingefang på mere end 70 cm."
Deres vinger er en porøs, lagdelt struktur, der ligner en aerogel og er så stærke og lette, at de kan bære insektet op til 30 miles på en time.
"En guldsmeds vinger er en ultralet aerogel - som udgør mindre end 2% af insektets samlede kropsvægt - og alligevel er de så stærke, at de kan bære insektet tusindvis af kilometer på tværs af oceaner og mellem kontinenter," siger Dr. Šiller, der arbejdede på forskningen sammen med kolleger fra Newcastle University, Durham University og Limerick University, Irland, samt eksperter fra National Museum of Bosnien-Hercegovina.
"Det meste af sin livscyklus tilbringer guldsmede under vandet i sit larvestadium (en periode på fra 30 dage til flere år). Ændringen fra larve til det voksne flyvende insekt repræsenterer irreversible ændringer i morfologi og fysiologi. Denne proces af metamorfose kan tage mellem 20 minutter op til flere timer, afhængigt af arten. Når guldsmede kommer ud af sin larvehud, er dens vinger som gelé, men inden for meget kort tid udvider de sig og hærder til at blive helt tørre.
"For at opnå dette producerer deres kroppe bikarbonatmolekyler, som frigiver kuldioxidgas, der regulerer kropstrykket og tørrer vingerne på samme tid. Dette 'blæser' vandet ud for at efterlade en tør, stabil, let og stærk struktur.
"Vi gentog denne proces i laboratoriet med aerogelen, hvor vi blæste vandet ud ved omgivelsestemperatur og med natriumbicarbonat."
Ideelle isolatorer
Aerogeler blev først opdaget i 1931. De vejer typisk omkring 0,1 g/cm3 og består af 95 % luft og har en termisk ledningsevne svarende til et vakuumpanel, hvilket gør dem ideelle isolatorer - ikke kun til at holde varmen i, men hold også hjemmene kølige.
Deres isolerende egenskaber og robusthed mod ældning, fugt og perforering gør dem til ideelle materialer til isolering i bygninger, men indtil nu har de høje produktionsomkostninger begrænset deres anvendelse.
Ved at tilføje bicarbonatopløsningsmidler til silicagelerne og bruge en innovativ kemisk proces, tvang holdet produktionen af kuldioxid til at tørre gelen ud indefra. Samtidig er CO2 fanget i den sarte struktur, hvilket forhindrer aerogelens kollaps.
Fælles hovedforfatter Dr. Xiao Han, Newcastle University, sagde, at den nye teknik ville reducere produktionsomkostningerne med 96 % - fra omkring $100 til $4 pr. kilogram.
"Ligesom en guldsmedes vinger består vores aerogel-materiale af ultratynde lag af silica, hvilket betyder, at vi kan skabe en stærkere struktur. Næste skridt vil være at opskalere processen for at fremstille paneler af isoleringen som kan bruges i hjem og bygninger for at hjælpe med at reducere vores energiforbrug og i sidste ende vores regninger."
Forskningen blev finansieret af Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).
