DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44713-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38212598
تاريخ النشر: 2024-01-11
المؤلف: Ryota Ueoka وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأيروجيلات والعزل الحراري
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا اصطناعيًا جديدًا لتعزيز الخصائص الميكانيكية للأيروجلات، مع التركيز بشكل خاص على شبكات بولي (ميثيل سيلسيسكويكسين) (PMSQ). تعاني الأيروجلات التقليدية، على الرغم من كونها عوازل حرارية ممتازة ذات موصلية حرارية منخفضة (قد تصل إلى 12 مW m\(^{-1}\) K\(^{-1}\)) وكثافة حجمية منخفضة (0.001-0.2 g cm\(^{-3}\))، من ضعف القوة الميكانيكية، مما يحد من تطبيقاتها في البناء والإعدادات الصناعية. استخدم المؤلفون مجموعة من تقنيات قمع فصل الطور باستخدام هيدروكسيد التترا ميثيل أمونيوم (TMAOH) وتجميع الألياف المجهرية المساعدة بواسطة مادة خافضة للتوتر السطحي غير الأيونية (PEO-b-PPO-b-PEO) لإنشاء هياكل شبيهة بالألياف الدقيقة داخل جيلات PMSQ. أدت هذه الهيكلة المبتكرة إلى إنتاج أيروجلات أحادية شفافة ومرنة للغاية مع تحسين كبير في مرونة الانحناء مقارنة بالإصدارات السابقة.
يؤكد الدراسة على أهمية التحكم في الهيكل المجهري في تعزيز الخصائص الميكانيكية للأيروجلات مع الحفاظ على خصائصها البصرية والحرارية المرغوبة. من خلال توضيح العلاقة بين الهياكل المسامية المجهري والأداء الميكانيكي، يمهد هذا العمل الطريق لتطوير مواد عازلة عالية تجمع بين الشفافية الزجاجية ومرونة ميكانيكية عالية، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات كفاءة الطاقة مثل النوافذ العازلة الشفافة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون تحسين الهيكل المسامي المجهري لأيروجلات PMSQ لتعزيز خصائص العزل الحراري مع الحفاظ على الشفافية العالية والمرونة. تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الخافضة للتوتر السطحي (F68، P94، وL64) كقواطع لفصل الطور وعوامل هيكلية. أظهرت أيروجلات PMSQ الناتجة خصائص مميزة؛ على سبيل المثال، أظهرت PMSQ-F68 شفافية مقارنة بـ PMSQ-F127، على الرغم من أنها كانت ذات قابلية انحناء أقل قليلاً. كان توزيع حجم المسام في PMSQ-F68 أوسع، مما ساهم في شفافيتها. في المقابل، أثبتت PMSQ-L64، التي تحتوي على أصغر حجم للمسام، أنها هشة جدًا للاختبار الميكانيكي، بينما أظهرت PMSQ-P94 صلابة وشفافية عالية، مما يجعلها مرشحًا واعدًا لمواد النوافذ العازلة حراريًا.
كما أجرى المؤلفون تقييمات فيزيائية شاملة، بما في ذلك قياسات امتصاص-إزالة النيتروجين، FE-SEM، وتصوير TEM، لتحليل هياكل المسام ونسب الهيكل العظمي للأيروجلات. ومن الجدير بالذكر أن PMSQ-P94 حققت موصلية حرارية قدرها 14.5 مW m⁻¹ K⁻¹، مقارنة بالأيروجلات السيليكا التقليدية، وعرضت نفاذية إجمالية قدرها 96% في نطاق الضوء المرئي. على الرغم من وجود ضباب طفيف بنسبة 1.7% بسبب خشونة السطح، تشير الخصائص البصرية لـ PMSQ-P94 إلى أنها يمكن أن تعمل بشكل فعال كمادة نافذة، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التحسين لتقليل الضباب. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الاختيار الدقيق للمواد الخافضة للتوتر السطحي وتحسين الهيكل المسامي يمكن أن يعزز بشكل كبير أداء أيروجلات PMSQ للتطبيقات العملية.
نتائج
في هذا القسم، يوضح المؤلفون تخليق وتوصيف أيروجلات PMSQ ذات الهيكل الشبيه بالألياف، مع التركيز على تأثير المواد الخافضة للتوتر السطحي والعوامل الأساسية على خصائصها. تتضمن عملية التحضير هيدروlysis MTMS في حمض الأسيتيك، وإضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي والماء لتشكيل محلول متجانس، ومن ثم تحفيز البلمرة مع TMAOH عند درجات حرارة منخفضة. تسلط الدراسة الضوء على أن الميكروهيكل للأيروجلات يتأثر بشكل كبير بنسبة المادة الخافضة للتوتر السطحي إلى MTMS وتركيزات كلا المكونين، حيث تعمل المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية والكاتيونية على قمع فصل الطور الكلي بشكل فعال لإنتاج هياكل مسامية.
تشير النتائج إلى أن استخدام TMAOH كعامل أساسي يعزز شفافية أيروجلات PMSQ، حيث تحقق أقصى نفاذية للضوء تبلغ 90% عند 550 نانومتر مع المادة الخافضة للتوتر السطحي P105. يلاحظ المؤلفون أن الأيروجلات تظهر هيكلًا عظميًا شبيهًا بالألياف متفرعًا، يتميز بألياف طويلة ورقيقة بسمك حوالي 6-8 نانومتر. تم ملاحظة أن مرونة هذه الأيروجلات قابلة للمقارنة مع المواد السيليكونية، مما يسمح بأشكال متنوعة مثل الألواح والخيوط. بشكل عام، تقدم الدراسة تحسينًا ناجحًا للمعلمات الاصطناعية لإنتاج أيروجلات PMSQ عالية الشفافية ومرنة، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة في مجال المواد المتقدمة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة الخصائص الميكانيكية لأيروجلات PMSQ ذات الهياكل الشبيهة بالألياف، مع التركيز على مرونة الانحناء والشفافية. تكشف اختبارات الانحناء الثلاثية النقاط أن PMSQ-F127 وPMSQ-P105 تظهران أقصى إجهاد انحناء عند الفشل بنسبة 51% و75%، على التوالي، وهو أعلى بكثير من الأيروجلات PMSQ السابقة (PMSQ-prev) التي كانت لديها أقصى إجهاد قدره 30%. تشير النتائج إلى أن هذه الأيروجلات الجديدة تمتلك مرونة انحناء متفوقة مقارنة بالأيروجلات الأخرى، ويعزى ذلك إلى هياكل المسام الفريدة التي تتميز بنسب هيكل عظمي عالية. تسلط الدراسة الضوء على تأثير الوزن الجزيئي وقيمة HLB للمواد الخافضة للتوتر السطحي على هيكل الهيكل العظمي للمسام، حيث تؤدي المواد الخافضة للتوتر السطحي ذات الوزن الجزيئي الأعلى إلى هياكل شبيهة بالألياف أكثر ملاءمة تعزز من قابلية الانحناء.
علاوة على ذلك، تؤكد الأبحاث على أهمية التحكم في الهيكل المجهري للأيروجلات لتحسين كل من الشفافية والخصائص الميكانيكية. تشير النتائج إلى أنه على الرغم من وجود تناقض بين الشفافية وقابلية الانحناء، فإن أيروجلات PMSQ المطورة في هذه الدراسة تحقق مزيجًا رائعًا من الشفافية العالية (حتى 96%) والمرونة الميكانيكية. تختتم الدراسة بأن الاستراتيجية الاصطناعية المستخدمة، التي تتضمن استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي من نوع PEO-b-PPO-b-PEO وهيدروكسيد التترا ميثيل أمونيوم كعامل حفاز، تؤدي بنجاح إلى إنتاج أيروجلات شفافة ومرنة للغاية، مما يمهد الطريق للتقدم المستقبلي في المواد العازلة المرنة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44713-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38212598
Publication Date: 2024-01-11
Author(s): Ryota Ueoka et al.
Primary Topic: Aerogels and thermal insulation
Overview
The research presents a novel synthetic approach to enhance the mechanical properties of aerogels, specifically focusing on poly(methylsilsesquioxane) (PMSQ) networks. Traditional aerogels, while excellent thermal insulators with low thermal conductivity (as low as 12 mW m\(^{-1}\) K\(^{-1}\)) and low bulk density (0.001-0.2 g cm\(^{-3}\)), suffer from low mechanical strength, limiting their application in construction and industrial settings. The authors employed a combination of phase separation suppression using tetramethylammonium hydroxide (TMAOH) and mesoscopic fiber-like assembly facilitated by a nonionic surfactant (PEO-b-PPO-b-PEO) to create fine fiber-like structures within PMSQ gels. This innovative structuring resulted in highly transparent and resilient monolithic aerogels with significantly improved bending flexibility compared to previous iterations.
The study underscores the importance of mesoscale structural control in enhancing the mechanical properties of aerogels while maintaining their desirable optical and thermal characteristics. By elucidating the relationship between mesoscale porous structures and mechanical performance, this work paves the way for the development of highly insulating materials that combine glass-like transparency with high mechanical flexibility, making them suitable for energy-efficient applications such as transparent insulating windows.
Methods
In this section, the authors detail the optimization of the mesoscale porous structure of PMSQ aerogels to enhance their thermal insulation properties while maintaining high transparency and flexibility. Various Pluronic surfactants (F68, P94, and L64) were employed as phase separation suppressors and structural agents. The resulting PMSQ aerogels exhibited distinct characteristics; for instance, PMSQ-F68 demonstrated transparency comparable to PMSQ-F127, albeit with slightly lower bending deformability. The pore size distribution of PMSQ-F68 was broader, contributing to its transparency. In contrast, PMSQ-L64, with the smallest pore size, proved too fragile for mechanical testing, while PMSQ-P94 exhibited toughness and high transparency, making it a promising candidate for thermally insulating window materials.
The authors also conducted extensive physical characterizations, including nitrogen adsorption-desorption measurements, FE-SEM, and TEM imaging, to analyze the pore structures and skeletal ratios of the aerogels. Notably, PMSQ-P94 achieved a thermal conductivity of 14.5 mW m⁻¹ K⁻¹, comparable to conventional silica aerogels, and displayed a total transmittance of 96% in the visible light range. Despite a slight haze of 1.7% due to surface roughness, PMSQ-P94’s optical properties suggest it could serve effectively as a window material, although further refinement to reduce haze is necessary. Overall, the findings indicate that the careful selection of surfactants and optimization of the porous structure can significantly enhance the performance of PMSQ aerogels for practical applications.
Results
In this section, the authors detail the synthesis and characterization of PMSQ aerogels with a fiber-like structure, emphasizing the influence of surfactants and base catalysts on their properties. The preparation process involves hydrolyzing MTMS in acetic acid, adding surfactants and water to form a homogeneous sol, and subsequently inducing polycondensation with TMAOH at low temperatures. The study highlights that the microstructure of the aerogels is significantly affected by the surfactant-to-MTMS ratio and the concentrations of both components, with nonionic and cationic surfactants effectively suppressing macroscopic phase separation to yield mesoporous structures.
The findings indicate that the use of TMAOH as a base catalyst enhances the transparency of the PMSQ aerogels, achieving a maximum light transmittance of 90% at 550 nm with the P105 surfactant. The authors observe that the aerogels exhibit a branched fiber-like skeletal structure, characterized by long, thin fibers approximately 6-8 nm in thickness. The flexibility of these aerogels is noted to be comparable to silicone materials, allowing for diverse forms such as plates and strings. Overall, the study presents a successful optimization of synthetic parameters to produce high-transparency and flexible PMSQ aerogels, contributing valuable insights to the field of advanced materials.
Discussion
In this section, the mechanical properties of PMSQ aerogels with fiber-like structures are discussed, focusing on their bending flexibility and transparency. The three-point bending tests reveal that PMSQ-F127 and PMSQ-P105 exhibit maximum bending strains at failure of 51% and 75%, respectively, significantly higher than the previously reported PMSQ aerogel (PMSQ-prev) which had a maximum strain of 30%. The results indicate that these new aerogels possess superior bending flexibility compared to other aerogels, attributed to their unique pore structures characterized by high skeletal ratios. The study highlights the influence of molecular weight and HLB value of surfactants on the pore skeleton structure, with higher molecular weight surfactants leading to more favorable fiber-like structures that enhance bendability.
Furthermore, the research underscores the importance of controlling the mesoscopic structure of the aerogels to optimize both transparency and mechanical properties. The findings suggest that while there is a trade-off between transparency and bendability, the PMSQ aerogels developed in this study achieve a remarkable combination of high transparency (up to 96%) and mechanical flexibility. The study concludes that the synthetic strategy employed, which involves the use of PEO-b-PPO-b-PEO-type surfactants and tetramethylammonium hydroxide as a catalyst, successfully yields highly resilient and transparent aerogels, paving the way for future advancements in flexible insulating materials.