Los aerogeles poseen características deseables tales como capacidad de carga ligera, semitransparente y alta. Crédito:Universidad de Hong Kong
Los aerogeles son materiales livianos con poros extensos a microescala, que podrían usarse en aislamiento térmico, dispositivos de energía, estructuras aeroespaciales, así como en tecnologías emergentes de electrónica flexible. Sin embargo, los aerogeles tradicionales basados en cerámica tienden a ser quebradizos, lo que limita su desempeño en estructuras de carga. Debido a las restricciones impuestas por sus componentes básicos, las clases de aerogeles poliméricos desarrolladas recientemente solo pueden lograr una alta resistencia mecánica sacrificando su porosidad estructural o sus características de peso ligero.
Un equipo de investigación dirigido por la Dra. Lizhi Xu y el Dr. Yuan Lin del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Hong Kong (HKU), ha desarrollado un nuevo tipo de materiales poliméricos de aerogel con grandes valores de aplicación para diversos dispositivos funcionales.
En este estudio, ahora publicado en Nature Communications , se creó con éxito un nuevo tipo de aerogel utilizando una red de nanofibras autoensamblada que involucra aramidas, o Kevlar, un material polimérico que se usa en chalecos antibalas y cascos. En lugar de utilizar fibras de Kevlar a escala milimétrica, el equipo de investigación utilizó un método de procesamiento de soluciones para dispersar las aramidas en fibrillas a nanoescala.
Las interacciones entre las nanofibras y el alcohol polivinílico, otro polímero suave y "pegajoso", generaron una red fibrilar 3D con una alta conectividad nodal y un fuerte vínculo entre las nanofibras. "Es como una red de armazones 3D microscópica, y logramos soldar los armazones firmemente entre sí, lo que dio como resultado un material muy fuerte y resistente que puede soportar cargas mecánicas extensas, superando a otros materiales de aerogel", dijo el Dr. Xu.
Esquemas del proceso de ensamblaje de los aerogeles compuestos de nanofibras. Crédito:Universidad de Hong Kong
Imagen de microscopio electrónico de barrido que muestra la microestructura de los materiales de aerogel. Crédito:Universidad de Hong Kong
Los aerogeles compuestos de nanofibras logran una alta dureza y módulo de tracción, en comparación con otros aerogeles poliméricos. Crédito:Universidad de Hong Kong
El equipo también ha utilizado simulaciones teóricas para explicar el excelente rendimiento mecánico de los aerogeles desarrollados. "Construimos una variedad de modelos de redes 3D en computadora, que capturaron las características esenciales de los aerogeles nanofibrilares", dijo el Dr. Lin, quien dirigió las simulaciones teóricas de la investigación.
"La mecánica nodal de las redes fibrilares es esencial para sus comportamientos mecánicos generales. Nuestras simulaciones revelaron que la conectividad nodal y la fuerza de unión entre las fibras influyeron en la resistencia mecánica de la red en muchos órdenes de magnitud, incluso con el mismo contenido sólido", dijo. Dra. Lin.
"Los resultados son muy emocionantes. No solo desarrollamos un nuevo tipo de aerogel polimérico con excelentes propiedades mecánicas, sino que también brindamos conocimientos para el diseño de varios materiales nanofibrosos", dijo el Dr. Xu, y agregó:"Los procesos de fabricación simples para estos aerogeles también permitir que se utilicen en varios dispositivos funcionales, como dispositivos electrónicos portátiles, sigilo térmico, membranas de filtración y otros sistemas", + Explora más
