26.04.2018

Besser Isolieren mit ultraleichten Aerogelen

Metamorphose von Libellen liefert Blaupause für ein ausgeklügeltes und günstiges Produktions­verfahren.

Aerogele mit einem Luftanteil von über 95 Prozent zählen sie den leichtesten Fest­körpern überhaupt. Hoch­porös und dennoch stabil sind sie sehr gut als Speicher für Gase, Staub­filter oder extrem leichtes Isolations­material verwendbar, allerdings oft zu teuer für eine Nutzung im großen Maßstab. Doch britische Material­forscher haben nun einen Fertigungs­prozess entwickelt, mit dem sich die Kosten drastisch um etwa einen Faktor 20 senken ließen. Damit wäre die Grund­lage für eine breite Anwendung beispiels­weise für eine hoch­effiziente und zugleich günstige Wärme­isolierung von Häusern gelegt.

Abb.: Ultraleichte Aerogele, die mit einem neuartigen Verfahren nach Vorbild der Metamorphose von Libellen gefertigt wurden. (Bild: X. Han et al., Newcastle Univ.)

Die filigranen Strukturen von Libellen­flügeln brachten Lidija Siller und ihre Kollegen vom Nanolab der Newcastle University auf die Spur des neuen Produktions­verfahrens. Bei den Detail­analysen der Flügel, gemeinsam mit Forschern vom National­museum von Bosnien-Herzogowina in Sarajevo durch­geführt, entdeckten sie eine große Anzahl winziger Poren in dem mehr­schichtigen und transparenten Material. „Libellen­flügel bestehen aus einem extrem leichten Aero­gel und sie machen weniger als zwei Prozent des Gesamt­gewichts des Insekts aus“, sagt Siller. Dennoch sind sie stabil genug, um Libellen mühelos auf ihren teils langen Flügen zu tragen.

Die Metamorphose der Libellen von der Larva zum fliegenden Insekt offenbarte den komplexen Prozess für die Bildung des natürlichen Aero­gels. Binnen weniger Stunden entfalten Libellel­larven ihre zuvor feuchten Flügel dank einer ausgeklügelten Trocknung. In den Körpern der Insekten fanden die Forscher Bicarbonate, die während der Meta­morphose Kohlen­dioxid aus­gasten. Dadurch konnte zum einen der Druck im Körper reguliert und zum anderen die Flügel schnell und effizient getrocknet werden. Das im Larven­stadium enthaltene Wasser wurde dabei schlicht weg­geblasen.

Abb.: Libellenflügel bestehen aus einem hochporösen natürlichen Aerogel, dass mit Kohlendioxid während der Metamorphose des Insekts getrocknet wird. (Bild: X. Han et al., Newcastle Univ.)

Exakt diesen Prozess imitierten die Wissenschaftler im Labor mit flüssigen Lösungen aus den Aerogel-Grund­substanzen Tetra­ethoxysilan, Trimethyl­chlorosilan und Natrium­silikat. Zu diesen Flüssig­keiten fügten sie kleine Mengen Natrium­hydrogen­carbonat hinzu. Nach einer ersten Trocknungs­phase bei Raum­temperatur heizten sie die Mischung auf etwa 100 Grad Celsius auf. Dabei wurde Kohlen­dioxid frei­gesetzt, dass sich über Kapillar­effekte durch das Aerogel­material ausbreitete, Wasser aus­blies und schließlich ein poröses und trockenes Aerogel entstehen ließ.

In ihren Versuchen produzierten Siller und Kollegen sowohl mehr­schichtige als auch mono­lithische Silica-Aerogele. Die filigranen Strukturen mit Poren­größen von etwa vier Nanometern wurden durch noch enthaltenes Kohlen­dioxid­gas vor einem Verklumpen bewahrt. Mit einer geringen Dichte von etwa 50 bis 60 Milligramm pro Kubikzentimeter wiesen diese Aero­gele nach einer Reinigung eine Porösität von über 98 Prozent auf. Die thermische Leit­fähigkeit im Mess­bereich zwischen Raum­temperatur und 425 Kelvin war mit 16 Milliwatt pro Meter und Kelvin ausgesprochen gering. Die gesamte Ober­fläche im Aerogel bestimmten die Forscher auf etwa 700 Quadrat­meter pro Gramm.

Aerogele mit einer solchen Qualität lassen sich bisher nur mit deutlich aufwändigeren Verfahren, teils bei höheren Temperaturen, teils über eine Gefrier­trockung herstellen. Mit der neuen Methode nach Vorbild der Libellen-Meta­morphose könnten die Produktions­kosten drastisch von etwa 100 US-Dollar auf nur noch vier Dollar pro Kilogramm sinken. Größere Hürden für eine not­wendige Skalierung ihres Verfahrens erwarten die Material­forscher nicht. Neben dem Einsatz als Filter oder Träger­material für Batterie­elektroden könnten die günstigen Aerogele für die Isolation von Häusern ein breites Anwendungs­feld finden.

Jan Oliver Löfken

DE

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