Graphene Oxide Aerogels with Ultra-Low Thermal Conductivity

Warmte is een meedogenloze reiziger. In de moderne wereld, waar gebouwen een groot deel van de wereldwijde energie verbruiken simpelweg om hun interieurs comfortabel te houden, is de strijd tegen ongewenste warmteverlies een centrale uitdaging. De materialen die we gebruiken om onze huizen te bouwen, met name standaard cement en beton, zijn vaak slecht in het stoppen van deze stroom, waardoor warmte in de winter ontsnapt en hitte in de zomer naar binnen komt. Om dit op te lossen, kijken wetenschappers naar een klasse materialen die aerogels worden genoemd. Dit zijn stoffen die zo licht en gevuld met lucht zijn dat ze fungeren als uitzonderlijke barrières voor warmte. Stel je een vast materiaal voor dat bijna volledig uit lege ruimte bestaat, een spons gemaakt van vaste materie waarbij de gaatjes zo klein en talrijk zijn dat ze lucht zo effectief vasthouden dat deze niet kan bewegen om warmte weg te voeren. Dit concept is lang een doel geweest voor energie-efficiëntie, maar een manier vinden om deze materialen goedkoop, eenvoudig en met controleerbare eigenschappen te maken, blijft een hindernis.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Patras en de Foundation for Research and Technology in Griekenland heeft een belangrijke stap richting dit doel gezet door te werken met een vorm van koolstof die bekend staat als grafeenoxide. Dit materiaal begint als een dikke, geleiachtige substantie wanneer het gemengd wordt met water, een hydrogel genoemd, en kan worden getransformeerd in een droge, sponsachtige vaste stof genaamd een aerogel. De onderzoekers wilden precies begrijpen hoe de structuur van dit materiaal zijn vermogen om warmte te geleiden verandert. Ze wilden zien of ze een versie konden creëren die zo poreus en licht zou zijn dat deze warmte bijna volledig zou tegenhouden, waardoor het een superieure isolator zou zijn voor gebouwen en andere toepassingen.

Het team begon met het creëren van een stabiele vloeibare mengeling van grafeenoxide-vellen. Ze goten deze mengeling in mallen en verwarmden deze voorzichtig. Terwijl het water verdampte, verbonden de minuscule vellen koolstof zich spontaan, waardoor een continu, driedimensionaal netwerk ontstond. Dit proces creëerde een hydrogel die grotendeels uit water bestond, maar bij elkaar werd gehouden door een solide raamwerk. Wanneer ze maten hoe goed deze natte, gel-achtige structuur warmte geleidde, ontdekten ze dat deze verrassend efficiënt was in het verplaatsen van energie. De warmte reisde door het materiaal met een snelheid van 1,50 watt per meter per Kelvin. Deze hoge waarde kwam voort uit het feit dat de vellen dicht op elkaar gepakt waren, wat een dichte, continue route creëerde voor de warmte om te volgen, vergelijkbaar met een drukke gang waar mensen snel van de ene naar de andere kant kunnen bewegen.

Om een echte isolator te creëren, moesten de onderzoekers deze dichte structuur veranderen in iets veel opener. Ze onderwierpen de hydrogel aan een chemisch proces dat de zuurstofatomen die aan de koolstofvellen gehecht waren verwijderde, waardoor het materiaal werd omgezet in gereduceerd grafeenoxide. Vervolgens verwijderden ze zorgvuldig al het resterende water zonder de delicate structuur te verbrijzelen, een techniek die bekend staat als drogen bij atmosferische druk (ambient-pressure drying). Het resultaat was een ultralicht aerogel dat voor 99 procent uit lucht bestond. Dit materiaal was zo licht dat een kubieke centimeter slechts ongeveer 26 milligram woog. Toen het team deze droge, sponsachtige vaste stof testte, waren de resultaten opmerkelijk. De thermische geleidbaarheid daalde naar slechts 0,021 watt per meter per Kelvin. Deze waarde is aanzienlijk lager dan veel standaard isolatiematerialen die vandaag de dag in de bouw worden gebruikt en behoort tot de laagste die ooit zijn geregistreerd voor dit type grafeen-gebaseerd materiaal.

Het dramatische verschil tussen de natte gel en de droge aerogel komt neer op de manier waarop warmte door hen heen beweegt. In de dichte hydrogel raakten de vaste koolstofvellen elkaar vaak aan, waardoor warmte gemakkelijk kon stromen. In de aerogel is het vaste raamwerk extreem dun en schaars, gescheiden door enorme zakken lucht. Warmte heeft moeite om deze kloof over te steken omdat het vaste pad onderbroken is, en de lucht die in de kleine poriën gevangen zit, kan niet vrij bewegen om energie te transporteren. De onderzoekers observeerden dat de structuur van de aerogel ervoor zorgt dat warmtedragende trillingen, bekend als fononen, verstrooien en rondstuiteren in plaats van in een rechte lijn te reizen. Deze verstrooiing, gecombineerd met het gebrek aan vast materiaal om warmte te geleiden, blokkeert effectief de energiestroom.

Om tot deze conclusies te komen, ontwikkelde het team een praktische en toegankelijke manier om deze eigenschappen te meten zonder te vertrouwen op dure, gespecialiseerde laboratoriumapparatuur. Ze gebruikten een standaard thermische camera om te observeren hoe snel verwarmde films van het materiaal afkoelden, en ze gebruikten een zelfgebouwde opstelling om te meten hoe warmte door de dikkere gel- en aerogelmonsters bewoog. Door deze observaties te combineren met metingen van hoeveel energie de materialen konden opslaan, berekenden ze de thermische geleidbaarheid met vertrouwen. Hun werk bevestigt dat de sleutel tot het creëren van een superisolator niet alleen in het materiaal zelf ligt, maar in hoe het is gerangschikt. Door de porositeit en de verbindingen tussen de vellen te controleren, demonstreerden ze dat hetzelfde basismateriaal kan worden afgestemd om ofwel warmte efficiënt te geleiden, ofwel het bijna volledig te blokkeren.

De bevindingen suggereren dat deze uit grafeen afgeleide gels een veelbelovend pad bieden voor de volgende generatie thermisch beheer. Het vermogen om een materiaal met een dergelijk lage thermische geleidbaarheid te produceren met behulp van een relatief eenvoudig chemisch proces en een eenvoudige droogmethode, maakt het een sterke kandidaat voor echt gebruik. De onderzoekers merkten op dat hoewel andere studies nog lagere geleidingswaarden hebben bereikt, die vaak complexere of duurdere methoden vereisten. Het hier beschreven materiaal balanceert extreme prestaties met een syntheseroute die gemakkelijker te repliceren is. Dit werk benadrukt dat de toekomst van energie-efficiënte bouwmaterialen kan liggen in het manipuleren van de microscopische architectuur van koolstof: het transformeren van een substantie die van nature goed is in het geleiden van warmte naar een van de beste isolatoren die bekend zijn, simpelweg door het grotendeels uit lege ruimte te laten bestaan.