Des scientifiques ont conçu un matériau isolant thermique en aérogel de carbone tubulaire inspiré de la microstructure du poil d'ours polaire. Cet isolant thermique léger, très élastique et plus performant ouvre de nouvelles perspectives pour l'isolation des bâtiments à haute efficacité énergétique.
Le poil de l'ours polaire l'aide à limiter les pertes de chaleur dans le climat froid et humide du cercle arctique. Contrairement aux cheveux humains et à ceux des autres mammifères , le poil de l'ours polaire est naturellement creux . Chaque poil possède un long noyau cylindrique en son centre. C'est cette forme et l'espacement des cavités qui confèrent au poil de l'ours polaire sa couleur blanche caractéristique. Ces cavités présentent de multiples propriétés, telles qu'une excellente rétention de chaleur, une résistance à l'eau et une grande élasticité, ce qui en fait un matériau très isolant thermique. Les centres creux limitent la diffusion de la chaleur, tandis que leur conception rend chaque poil extrêmement léger. De plus, l'imperméabilité du poil de l'ours polaire lui permet de rester au chaud même lorsqu'il nage dans des eaux glaciales ou en milieu humide. Le poil de l'ours polaire constitue ainsi un excellent modèle pour la conception de matériaux synthétiques capables d'offrir une isolation thermique aussi efficace que celle du poil de l'ours polaire.
Dans une nouvelle étude publiée le 6 juin dans la revue Chem , des scientifiques ont mis au point un isolant novateur s'inspirant de la microstructure des poils d'ours polaires, dont ils reproduisent les propriétés uniques. Ils ont fabriqué des millions de tubes de carbone creux, ultra-élastiques et légers, chacun de la taille d'un poil, qu'ils ont enroulés pour former un bloc d'aérogel. Le processus de conception a débuté par la fabrication d'un hydrogel de câbles à partir de nanofils de tellure (Te), servant de matrice et recouvert d'une coque de carbone. Ils ont ensuite fabriqué un aérogel de tubes de carbone (CTA) à partir de cet hydrogel, en le séchant puis en le calcinant sous atmosphère inerte d'argon à 900 °C afin d'éliminer les nanofils de Te. Cette conception unique confère au CTA d'excellentes propriétés d'isolation thermique et une élasticité exceptionnelle, avec une vitesse de rebond de 1434 mm/s. Il s'agit de la vitesse la plus rapide jamais atteinte pour des matériaux élastiques conventionnels. Les auteurs soulignent qu'il est même plus élastique que les poils d'ours polaire.
En raison de la structure creuse des tubes de carbone, le matériau présente une excellente conductivité thermique qui est inférieure à celle de l'air sec du fait que le diamètre intérieur du matériau est inférieur au libre parcours de l'air. Le matériau a montré une longévité en maintenant sa conductivité thermique après avoir été stocké pendant 3 mois à température ambiante avec 56% d'humidité relative. Le CTA est léger avec une densité de 8 kg/m3 ; plus léger que la majorité des matériaux isolants thermiques disponibles. Il n'est pas affecté par l'eau car il n'est pas mouillable. De plus, la structure mécanique du CTA est maintenue même après de nombreux cycles de compression-relâchement à différentes contraintes.
L'étude actuelle décrit un nouvel aérogel à tube de carbone - inspiré de la conception du tube creux des poils d'ours polaire - qui agit comme un excellent isolant thermique. Comparé aux autres matériaux isolants en aérogel disponibles, ce design à tube creux inspiré des ours polaires est léger, plus résistant au flux de chaleur, étanche à l'eau et ne se dégrade pas au cours de sa durée de vie.
Des systèmes d'isolation thermique améliorés et plus efficaces offrent des perspectives prometteuses pour la réduction de la consommation d'énergie primaire. L'énergie est aujourd'hui une ressource rare, tandis que son coût ne cesse d'augmenter. L'une des solutions pour économiser l'énergie consiste à améliorer l'isolation thermique des bâtiments . Les aérogels se révèlent déjà très prometteurs pour une grande variété d'applications. Cette étude ouvre la voie à la conception d'un matériau haute performance, léger, superélastique et thermiquement isolant, destiné aux applications dans le bâtiment et l'industrie aérospatiale, notamment en environnements extrêmes. Son extrême extensibilité renforce son attrait pour de nombreuses applications.
***
{Vous pouvez lire le document de recherche original en cliquant sur le lien DOI ci-dessous dans la liste des sources citées}
Sources)
Zhan, H. et al. 2019. Un aérogel tubulaire de carbone biomimétique confère superélasticité et isolation thermique. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
