Kompozitni izolacijski material iz nanodelcev

Skupina znanstvenikov z uglednih institucij na Švedskem, v Španiji, Italiji, Nemčiji in Sloveniji je razvila kompozitni izolacijski material iz nanodelcev. Ultralahka negorljiva pena je sestavljena iz nanovlaken celuloze, nanodelcev grafenovega oksida in nanopalčk sepiolita ter ima ima občutno nižjo toplotno prevodnost od zraka in drugih toplotnoizolacijskih materialov. Pogovarjali smo se z dr. Andražem Kocjanom z Odseka za inženirsko keramiko na Institutu Jožef Stefan, enem izmed sedmih znanstvenikov, podpisanih pod člankom o novem kompozitnem materialu, ki je bil v začetku novembra objavljen v ugledni znanstveni reviji Nature Nanotechnology.

Iz česa je sestavljen novi izolacijski material in kakšne so njegove lastnosti?
Negorljiva pena je sestavljena iz treh osnovnih gradnikov: nanovlaken celuloze, nanodelcev grafenovega oksida in nanopalčk sepiolita (magnezijev silikat - glina nanometrskih dimenzij). Gradniki so bili vmešani v vodo z dodatkom borove kisline, tako pripravljeno suspenzijo pa so nato kontrolirano zamrznili s pomočjo tekočega dušika. Pravokotno na smer zmrzovanja so zrasli dolgi ledeni kristali, ki so jih nato odstranili s sublimacijo. Nastala je ultralahka pena, ki ima obliko, podobno satovju. Vsebuje nekaj centimetrov dolge cevaste pore s premerom le 20 mikrometrov, debelina sten por pa je 0,2–0,4 mikrometra. Pravzaprav ima pena takšno obliko kot pokončno postavljen šop cevi. Pena ima zaradi kombinacije gradnikov in strukture dobre mehanske lastnosti, izkazuje odlične toplotnoizolativne lastnosti in je negorljiva.

V čem se nanoceluloza razlikuje od celuloze, ki se sicer uporablja za toplotno izolacijo?
Nanoceluloza je nanostrukurirana celuloza – to je celuloza, razklopljena z mehanokemijskim postopkom do karseda majhnih, osnovnih gradnikov oziroma delcev, ki so vlaknastih oblik. Vlakna so debela nekaj (deset) nanometrov, dolga pa več mikrometrov. Običajno se pridobiva iz lesne kaše, lahko pa tudi iz papirja ali katerega koli drugega izvora celuloze. Tako pripravljena vlakna imajo presenetljivo dobre mehanske lastnosti. Bolj fina vlakna imamo, več možnosti imamo za njihovo strukturiranje v napredne (kompozitne) materiale.

Kakšna pa je glina nanometrskih dimenzij?
Podobno kot pri celulozi gre tudi pri tej glini za delce nanometrskih dimenzij. Eden od gradnikov tega materiala so nanopalčke sepiolita (magnezijev silikat), ki imajo, podobno kot nanovlakna celuloze, premer manjši od 100 nanometrov (zaradi česar se material smatra kot nanomaterial), dolžino pa v mikrometrih.

Ali bi lahko bil novi izolacijski material združljiv s fasadnimi sistemi, ki so zdaj na voljo za izdelavo toplotnega ovoja stavb?
Nanokompozitna pena bi lahko nadomestila standardni toplotnoizolacijski material, to je ekspandirani polistiren (EPS). Ker je dvakrat bolj izolativna od EPS, bi za dosego podobnega izolacijskega učinka zadostovala dvakrat manjša debelina toplotnoizolacijskega fasadnega sistema. Vendar so potrebne še nekatere inženirske rešitve kako material uporabiti. Material je izredno lahek (od 100- do 200-krat lažji od vode) in tudi anizotropen, kar pomeni, da ima zaradi svoje notranje zgradbe v različnih smereh različne fizikalne lastnosti. Njegova odlična izolativnost se nanaša na radialno smer navpičnih cevastih por (rast kristalov ledu), mehanske lastnosti pa na aksialno, kjer pa ni tako dober izolator.

Koliko znanstvenikov je sodelovalo pri njegovem razvoju?
S samim razvojem materiala so se ukvarjali vsaj štirje znanstveniki pod vodstvom prof. Lennarta Bergströma iz Univerze v Stockholmu. Je pa treba razumeti razliko med samim razvojem materiala, gledano s čisto idejnega vidika, ter objavo celostne raziskave v eni izmed najuglednejših znanstvenih revij s področja nanoznanosti in nanotehnologij, kot je Nature Nanotechnology. V raziskavi je zajet razvoj oziroma sinteza materiala, njegova karakterizacija in prikaz uporabnosti na konceptualni, laboratorijski ravni. Vendar v znanosti skoraj nič ne nastane iz »nič«. To pomeni, da so k mozaiku do končnega izdelka pripomogli tudi mnogi drugi znanstveniki in študentje, ki so kakor koli sodelovali s prof. Bergströmom v povezavi z nanocelulozo. Pod raziskavo v reviji Nature Nanotechnology pa nas je podpisanih sedem znanstvenikov z različnih znanstvenih ustanov, in sicer: German Salazar-Alvarez in Lennart Bergström z Univerze v Stockholmu, Bernd Wicklein z Inštituta za znanost o materialih v Madridu, Federico Carosio in Giovanni Camino s Politehnike v Torinu, Markus Antonietti z Inštituta Maxa Plancka ter jaz. Moj prispevek k raziskavi so bile meritve toplotnih lastnosti materiala in pomoč pri njihovi interpretaciji.

Koliko časa so ga razvijali?
Kolegi so razvijali material dobro leto. Da so lahko zgolj v enem letu razvili tak kompozitni material in sestavili mozaik sicer dobro poznanih gradnikov, je bilo potrebnega veliko predhodnega znanja ter odličnost vseh vpletenih. Tu je treba omeniti, da nekateri švedski javni in tudi zasebni denarni skladi vrsto let močno podpirajo raziskave celuloze, saj ima Švedska, podobno kot Slovenija, veliko gozdov.

Kakšne so v tem trenutku možnosti za proizvodnjo novega materiala? Kdaj ga lahko pričakujemo na trgu?
Kdaj bo na trgu, če sploh, je težko napovedati, a možnosti so dobre. Pred morebitno industrijsko proizvodnjo je treba iznajti cenejši način kontroliranega zamrzovanja od trenutne uporabe tekočega dušika. Tu bodo prav prišli znanje in tehnološki procesi v industriji hrane, kjer imajo izkušnje s tehnologijo zamrzovanja in pripravo pen. Če ne bo prevelikih ovir, bi lahko material prišel na trg v treh do petih letih. Vsi nadaljnji koraki potekajo pod okriljem Univerze v Stockholmu.

Sam material je izdelan iz obnovljivih komponent - ali bi bila trajnostna tudi njegova proizvodnja?
Celuloze in gline je v izobilju. Grafenov oksid se bo lahko v prihodnosti pridobival iz biomase (s tem se ukvarja skupina prof. Markusa Antoniettija), tako da ostane le vprašanje uporabe nizkoenergijskega zamrzovanja in sublimacije z uporabo obnovljivih virov energije.

Ali lahko navedete še kakšen podoben primer/material, ko gre za toplotnoizolacijske materiale, pri razvoju katerih so sodelovali znanstveniki IJS?
V tem trenutku ne poznam podobnega »končnega« izdelka, ki bi bil na trgu in je plod raziskav našega inštituta. Je pa verjetno tudi naš institut pripomogel k boljšemu razumevanju problematike aerogelov, ki so danes pomemben izolacijski material (predvsem na področju shranjevanja utekočinjenih plinov).

Deli na facebooku

Deli na drugih omrežjih

Or use your account on Blog

Error message here!

Hide Error message here!

Forgot your password?

Or register your new account on Blog

Error message here!

Error message here!

Hide Error message here!

Lost your password? Please enter your email address. You will receive a link to create a new password.

Error message here!

Back to log-in

Close
Več informacij DELOINDOM Logo

Zakaj imamo v uredništvu Dela in dom radi piškotke?

S potrditvijo piškotkov nam omogočate uporabo analitičnih orodij, s katerimi izvemo, kaj radi berete in česa ne. Želimo ustvarjati kakovostne vsebine, ki jih boste z veseljem prebirali, zato vas prosimo, da potrdite piškotke na spletnih mestih Dela d.o.o.

STRINJAM SE
newsletter
deloindom logo

Prijavite se na e-novice in bodite na tekočem!

Nadaljuj na prijavo >
newsletter
deloindom logo

Naročite se
na DELOINDOM

NAROČI SE