Les scientifiques ont conçu un matériau d'isolation thermique en aérogel de tube de carbone inspiré de la nature, basé sur la microstructure des poils d'ours polaire. Cet isolant thermique léger, hautement élastique et plus efficace ouvre de nouvelles voies pour l'isolation énergétique des bâtiments
Ours polaire les poils aident l'animal à prévenir la perte de chaleur dans des conditions climatiques froides et humides dans le cercle polaire arctique glacial. Les poils d'ours polaires sont naturellement creux contrairement aux cheveux humains ou d'autres mammifères. Chaque mèche de cheveux a un long noyau cylindrique qui traverse son centre. C'est cette forme et cet espacement des cavités qui confèrent aux poils d'ours polaire le pelage blanc distinct. Ces cavités ont une multitude de propriétés telles qu'une tenue à la chaleur, une résistance à l'eau, une élasticité, etc. exceptionnelles, ce qui en fait un très bon matériau d'isolation thermique. Les centres creux limitent le mouvement de la chaleur tout en rendant chaque brin extrêmement léger. De plus, la nature non mouillable des poils d'ours polaire maintient l'animal au chaud lorsqu'il nage à des températures inférieures à zéro et également dans des conditions humides. Le poil d'ours polaire est donc un très bon modèle pour concevoir des matériaux synthétiques capables d'isoler efficacement de la chaleur tout comme le poil d'ours polaire le fait naturellement.
Dans une nouvelle étude publiée le 6 juin dans Chem, les scientifiques ont développé un nouvel isolant en s'inspirant et en imitant la microstructure des poils d'ours polaires individuels et en acquérant ainsi toutes ses propriétés uniques. Ils ont fabriqué des millions de tubes de carbone évidés ultra-élastiques et légers, chacun de la taille d'une seule mèche de cheveux, et les ont enroulés dans un bloc d'aérogel. Le processus de conception a commencé par la fabrication d'hydrogel de câble à partir de nanofils de tellure (Te) en tant que modèle recouvert d'une coque en carbone. Ensuite, ils ont fabriqué un aérogel à tube de carbone (CTA) à partir de cet hydrogel en le séchant d'abord puis en le calcinant dans une atmosphère inerte d'argon à 900 °C pour éliminer les nanofils de Te. Cette conception unique fait du CTA un excellent isolant thermique et également de nature super-élastique car il rebondit à la vitesse de 1434 mm/s. C'est le plus rapide jamais comparé à tous les matériaux élastiques conventionnels. Les auteurs soulignent qu'il est encore plus élastique que le poil 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 sont prometteurs pour la conservation de la consommation d'énergie primaire. L'énergie est maintenant rare alors que les coûts de l'énergie augmentent. L'un des moyens d'économiser l'énergie est d'améliorer l'isolation thermique des bâtiments. Les aérogels sont déjà très prometteurs pour une grande variété de telles applications. Cette étude ouvre des pistes pour concevoir des matériaux à hautes performances, légers, super élastiques et thermiquement isolants pour des applications dans les bâtiments, l'industrie aérospatiale en particulier dans les environnements extrêmes. En raison de sa capacité d'étirement extrême, son attrait est amélioré pour diverses applications.
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Sources)
Zhan, H et al. 2019. L'aérogel en tube de carbone biomimétique permet une super-élasticité et une isolation thermique. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
