DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57646-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40064924
تاريخ النشر: 2025-03-10
المؤلف: Xiaotong Fu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأيروجيلات والعزل الحراري
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة طريقة جديدة للدوران الميكروفلويدي لإنتاج ألياف أيروجيل الأراميد ذات الهيكل النانوي المتدرج (GAFs)، مما يعالج قيود تقنيات الدوران الرطب التقليدية التي تخلق طبقات خارجية كثيفة في الأيروجيلات. تتيح هذه الطريقة المبتكرة تشكيل ألياف ذات سطح خارجي رقيق وداخل كثيف، مما يؤدي، عند التجفيف فوق الحرج، إلى تكوين طبقات غلاف ولب متميزة بمتوسط أقطار مسام تبلغ 150 نانومتر و600 نانومتر، على التوالي. يعزز الهيكل النانوي المتدرج بشكل كبير المقاومة الحرارية بين الواجهات، محققًا موصلية حرارية شعاعية منخفضة تصل إلى $0.0228 \, \text{W m}^{-1} \text{K}^{-1}$، وهو أقل بكثير من موصلية الهواء وألياف الأيروجيل التقليدية المدورة بالرطب.
بالإضافة إلى ذلك، تتمتع GAFs بخصائص ميكانيكية ملحوظة، بما في ذلك قوة شد تبلغ 29.5 ميغاباسكال ودرجة كسر تبلغ 39.2%، وذلك بفضل شبكتها الفريدة المتشابكة نانو التي تشتت الضغط بشكل فعال. تؤسس هذه الدراسة علاقة واضحة بين الهياكل النانوية متعددة المقاييس والأداء الحراري المحسن، مما يوسع من التطبيقات المحتملة للأيروجيلات في أنظمة إدارة الحرارة الموفرة للطاقة. نظرًا لأن إدارة الحرارة في المباني والمركبات تمثل أكثر من ثلث استهلاك الطاقة العالمي وتساهم بشكل كبير في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، فإن تطوير مواد عزل متقدمة مثل GAFs أمر بالغ الأهمية لتحسين كفاءة الطاقة وتقليل البصمة الكربونية عبر تطبيقات متنوعة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد تشمل كيفلار، مصدرها شركة دوبونت، ومواد كيميائية متنوعة مثل ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO)، هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، حمض الأسيتيك، والإيثانول، جميعها تم الحصول عليها من شركة علاء الدين للتكنولوجيا الكيميائية المحدودة في شنغهاي، الصين. تم تحضير الماء منزوع الأيونات باستخدام نظام ميلليبور ميلّي-كيو، محققًا موصلية تبلغ 3.8 ميكروسيمنز/سم. تم استخدام جميع المواد الكيميائية الأخرى دون مزيد من التنقية، مما يضمن سلامة الإجراءات التجريبية.
النتائج
توضح نتائج هذه الدراسة آليات العزل الحراري لألياف أيروجيل الأراميد ذات الهيكل النانوي المتدرج (GAFs) مقارنة بألياف الأيروجيل التقليدية ذات الجلد واللب (SAFs). تسلط الدراسة الضوء على أن خصائص العزل الحراري تتأثر بشكل كبير بالهيكل النانوي، وبشكل خاص بحجم المسام والتوزيع المكاني. تكشف محاكاة الديناميات الجزيئية ذات الحبيبات الخشنة أن GAFs، التي تتميز بطبقة خارجية نانوية رقيقة ولب داخلي كثيف، تظهر انخفاضًا بنسبة 40% في الموصلية الحرارية مقارنةً بـ SAFs، التي تمتلك طبقة خارجية كثيفة. تؤدي هذه التكوينات الهيكلية إلى تعزيز المقاومة الحرارية بين الواجهات وأداء عزل حراري متفوق، كما يتضح من قياسات درجة الحرارة التي تظهر أن GAFs تحافظ على درجة حرارة سطح أقل تحت التعرض للحرارة.
علاوة على ذلك، وُجد أن الخصائص الميكانيكية لـ GAFs تتجاوز تلك الخاصة بـ SAFs، حيث تظهر GAFs قوة شد أعلى ودرجة كسر أعلى على الرغم من وجود معامل يونغ أقل. يسمح الهيكل النانوي المتدرج بتشتت الضغط بشكل فعال أثناء التشوه، مما يساهم في متانة المادة. تؤكد الدراسة أيضًا أن عملية الدوران الميكروفلويدي تمكن من إنتاج GAFs بميزات هيكلية قابلة للتخصيص، مما يعزز قابليتها للتطبيق في مجالات متنوعة، بما في ذلك البناء والنسيج المتخصص. بشكل عام، تؤسس النتائج رابطًا واضحًا بين الهياكل النانوية المتدرجة والأداء الميكانيكي والحراري المحسن، مما يضع GAFs كمادة واعدة لتطبيقات العزل المتقدمة.
نقاش
في هذا القسم، يتم تفصيل إعداد وتوصيف تشتت الألياف النانوية الأراميد (ANF) وأقمشة الأيروجيل (GAFs). تم تصنيع ANF من خلال طريقة إزالة البروتونات التي تشمل خيوط كيفلار وKOH في خليط من DMSO والماء، مما أسفر عن تشتت أحمر داكن. تم إنتاج GAFs باستخدام شريحة ميكروفلويدية تسهل التدفق المنضبط لـ ANF وDMSO، تلاها عمليات غسيل مكثفة وتبادل المذيبات. تم الحصول على GAFs النهائية من خلال التجفيف فوق الحرج.
شملت تقنيات التوصيف مجهر المسح الإلكتروني ذو الانبعاث الميداني للتحليل الشكلي، ومطيافية رامان للتقييم الهيكلي، واختبار ميكانيكي باستخدام محول ميكانيكي نانوي. تم تقييم الخصائص الحرارية باستخدام كاميرا حرارية بالأشعة تحت الحمراء ومحلل الموصلية الحرارية، حيث تم قياس الموصلية الحرارية تحت ظروف محكومة. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام محاكاة الديناميات الجزيئية ذات الحبيبات الخشنة للتحقيق في تأثيرات هيكل المسام على الخصائص الميكانيكية للألياف، باستخدام نموذج الخرز-الزنبرك وإمكانات لينارد-جونز لمحاكاة التفاعلات. تقدم النتائج رؤى حول السلوك الميكانيكي والحراري للمواد المطورة، مع آثار على تطبيقاتها في مجالات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57646-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40064924
Publication Date: 2025-03-10
Author(s): Xiaotong Fu et al.
Primary Topic: Aerogels and thermal insulation
Overview
The research presents a novel microfluidic spinning method for producing gradient all-nanostructure aramid aerogel fibers (GAFs), addressing the limitations of traditional wet-spinning techniques that create dense outer layers in aerogels. This innovative approach allows for the formation of fibers with a sparse exterior and a dense interior, which, upon supercritical drying, results in distinct sheath and core layers with average pore diameters of 150 nm and 600 nm, respectively. The gradient nanostructure significantly enhances interfacial thermal resistance, achieving a radial thermal conductivity as low as $0.0228 \, \text{W m}^{-1} \text{K}^{-1}$, which is substantially lower than that of air and conventional wet-spun aerogel fibers.
Additionally, the GAFs exhibit remarkable mechanical properties, including a tensile strength of 29.5 MPa and a fracture strain of 39.2%, attributed to their unique nano-entangled network that effectively dissipates stress. This study establishes a clear relationship between multiscale nanostructures and enhanced thermal performance, thereby broadening the potential applications of aerogels in energy-efficient thermal management systems. Given that thermal management in buildings and vehicles accounts for over one-third of global energy consumption and contributes significantly to CO₂ emissions, the development of advanced insulation materials like GAFs is crucial for improving energy efficiency and reducing the carbon footprint across various applications.
Methods
In this study, the materials utilized included Kevlar, sourced from Dupont Company, and various chemicals such as dimethyl sulfoxide (DMSO), sodium hydroxide (NaOH), acetic acid, and ethanol, all obtained from Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd in Shanghai, China. Deionized water was prepared using the Millipore Milli-Q system, achieving a conductivity of 3.8 µS/cm. All other chemicals were employed without further purification, ensuring the integrity of the experimental procedures.
Results
The results of this study elucidate the thermal insulation mechanisms of gradient all-nanostructured aramid aerogel fibers (GAFs) compared to traditional skin-core aerogel fibers (SAFs). The research highlights that the thermal insulation properties are significantly influenced by the nanostructure, specifically the pore size and spatial distribution. Coarse-grained molecular dynamics simulations reveal that GAFs, characterized by a loose nanoporous outer layer and a dense inner core, exhibit a 40% reduction in thermal conductivity compared to SAFs, which possess a dense outer layer. This structural configuration results in enhanced interfacial thermal resistance and superior thermal insulation performance, as demonstrated by temperature measurements showing GAFs maintaining a lower surface temperature under heat exposure.
Furthermore, the mechanical properties of GAFs were found to surpass those of SAFs, with GAFs exhibiting higher tensile strength and fracture strain despite a lower Young’s modulus. The gradient nanostructure allows for effective stress dissipation during deformation, contributing to the material’s durability. The study also confirms that the microfluidic spinning process enables the production of GAFs with customizable structural features, enhancing their applicability in various fields, including construction and specialized textiles. Overall, the findings establish a clear link between gradient nanostructures and improved mechanical and thermal performance, positioning GAFs as a promising material for advanced insulation applications.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of aramid nanofiber (ANF) dispersions and gel aerogel fabrics (GAFs) are detailed. ANF was synthesized through a deprotonation method involving Kevlar yarn and KOH in a DMSO-water mixture, resulting in a dark red dispersion. GAFs were produced using a microfluidic chip that facilitated the controlled flow of ANF and DMSO, followed by extensive washing and solvent exchange processes. The final GAFs were obtained through supercritical drying.
Characterization techniques included field emission scanning electron microscopy for morphological analysis, Raman spectroscopy for structural assessment, and mechanical testing using a nanomechanical actuating transducer. Thermal properties were evaluated with a thermal infrared camera and a thermal conductivity analyzer, measuring thermal conductivity under controlled conditions. Additionally, coarse-grained molecular dynamics simulations were employed to investigate the effects of pore structure on the mechanical properties of the fibers, utilizing a bead-spring model and Lennard-Jones potential to simulate interactions. The results provide insights into the mechanical and thermal behavior of the developed materials, with implications for their application in various fields.