Les aérogels possèdent des caractéristiques souhaitables telles qu'une capacité de charge légère, semi-transparente et élevée. Crédit :Université de Hong Kong
Les aérogels sont des matériaux légers avec des pores microscopiques étendus, qui pourraient être utilisés dans l'isolation thermique, les dispositifs énergétiques, les structures aérospatiales, ainsi que les technologies émergentes de l'électronique flexible. Cependant, les aérogels traditionnels à base de céramique ont tendance à être cassants, ce qui limite leurs performances dans les structures porteuses. En raison des restrictions imposées par leurs blocs de construction, les classes d'aérogels polymères récemment développées ne peuvent atteindre une résistance mécanique élevée qu'en sacrifiant leur porosité structurelle ou leurs caractéristiques de légèreté.
Une équipe de recherche dirigée par le Dr Lizhi Xu et le Dr Yuan Lin du Département de génie mécanique de la Faculté de génie de l'Université de Hong Kong (HKU), a développé un nouveau type de matériaux d'aérogel polymère avec de vastes valeurs d'application pour divers dispositifs fonctionnels.
Dans cette étude, désormais publiée dans Nature Communications , un nouveau type d'aérogel a été créé avec succès en utilisant un réseau de nanofibres auto-assemblées impliquant des aramides, ou Kevlar, un matériau polymère utilisé dans les gilets pare-balles et les casques. Au lieu d'utiliser des fibres de Kevlar à l'échelle millimétrique, l'équipe de recherche a utilisé une méthode de traitement en solution pour disperser les aramides dans des fibrilles à l'échelle nanométrique.
Les interactions entre les nanofibres et l'alcool polyvinylique, un autre polymère mou et "gluant", ont généré un réseau fibrillaire 3D avec une connectivité nodale élevée et une forte liaison entre les nanofibres. "C'est comme un réseau de fermes 3D microscopique, et nous avons réussi à souder fermement les fermes ensemble, ce qui donne un matériau très solide et résistant qui peut résister à des charges mécaniques importantes, surpassant les autres matériaux d'aérogel", a déclaré le Dr Xu.
Schémas du processus d'assemblage des aérogels de nanofibres composites. Crédit :Université de Hong Kong
Image au microscope électronique à balayage montrant la microstructure des matériaux aérogels. Crédit :Université de Hong Kong
Une ténacité et un module de traction élevés sont obtenus par les aérogels de nanofibres composites, par rapport à d'autres aérogels polymères. Crédit :Université de Hong Kong
L'équipe a également utilisé des simulations théoriques pour expliquer les performances mécaniques exceptionnelles des aérogels développés. "Nous avons construit une variété de modèles de réseau 3D sur ordinateur, qui ont capturé les caractéristiques essentielles des aérogels nanofibrillaires", a déclaré le Dr Lin, qui a dirigé les simulations théoriques de la recherche.
"La mécanique nodale des réseaux fibrillaires est essentielle à leurs comportements mécaniques globaux. Nos simulations ont révélé que la connectivité nodale et la force de liaison entre les fibres influençaient la résistance mécanique du réseau de plusieurs ordres de grandeur, même avec le même contenu solide", a déclaré Dr Lin.
« Les résultats sont très excitants. Nous avons non seulement développé un nouveau type d'aérogels polymères dotés d'excellentes propriétés mécaniques, mais nous avons également fourni des informations pour la conception de divers matériaux nanofibreux », a déclaré le Dr Xu, ajoutant que « les processus de fabrication simples de ces aérogels leur permettent d'être utilisés dans divers dispositifs fonctionnels, tels que l'électronique portable, la furtivité thermique, les membranes de filtration et d'autres systèmes," + Explorer plus loin
