Reattori ad alte prestazioni, aerei ipersonici e veicoli spaziali incontrano tutti un calore intenso, significativamente più caldo della lava fusa, quando rientrano nell'atmosfera terrestre. I ricercatori sono alla ricerca da decenni dell'"isolante ideale": uno che possa resistere a temperature estremamente elevate, bloccare ogni tipo di trasmissione del calore, essere leggero e dimensionabile per uso industriale. Secondo quanto riportato, un team di ricerca dell'Università di Tsinghua in Cina ha creato un nuovo isolamento a nanotubi di carbonio che resiste a temperature estreme fino a 4,712 °C (2,600 °F), impedendo al contempo radiazioni, trasferimento di gas e conduzione del calore.

Oltre i 2,732 °F (1,500 °C), i materiali isolanti convenzionali iniziano a degradarsi o a trasmettere calore eccessivoQuesta scoperta, che troverà applicazione nei settori della produzione avanzata, dell'energia e dell'industria aerospaziale, ha il potenziale di trasformare il modo in cui le industrie gestiscono le condizioni di caldo estremo.

Cosa rende questo isolamento in nanotubi di carbonio diverso dai materiali esistenti?

Il nuovo isolamento super-allineato in nanotubi di carbonio resiste al calore estremo e viene utilizzato per creare l'isolamento di nuova concezione. Come quando si strappano fili di seta, i ricercatori coltivano matrici verticali di nanotubi prima di "disegnarli" in fogli sottili. Le straordinarie qualità del materiale derivano dal modo in cui questi fogli vengono arrotolati o impilati per creare strutture multistrato e porose.

Poiché il nuovo isolamento in nanotubi di carbonio resiste al calore estremo, ecco le caratteristiche essenziali che distinguono questo materiale:

Conduttività termica estremamente bassa:

• A temperatura ambiente, 0.004 W/mK.
• A 2,600 °C, 0.03 W/mK è significativamente inferiore a quello tipico isolatori, come il feltro di grafite.

Densità leggera:

• Varia da 5 a 100 kg/m³, rendendolo semplice da integrare nell'industria aeronautica e in altri settori in cui il peso è essenziale.

Resistenza al calore:

• Capace di resistere a centinaia di cicli di riscaldamento/raffreddamento e temperature estremamente elevate.

Blocco delle radiazioni:

• La luce infrarossa viene assorbita e dispersa dai nanotubi, che intrappolano fotoni termici.

Scalabilità:

• È possibile realizzare lastre larghe fino a 550 mm e lunghe anche centinaia di metri.

Il nuovo materiale ha il potenziale per essere rivoluzionario grazie alla sua stabilità, alle sue prestazioni e alla sua scalabilità.

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Come fa a bloccare il trasferimento di calore in modo così efficace?

Analisi dei tre metodi principali di trasferimento del calore: radiazione, convezione (conduzione del gas), e conduzione—aiuta a spiegare la scoperta.

Conduzione attraverso i solidi:

• Il calore deve passare attraverso diversi strati a causa della disposizione dei nanotubi e non lungo i tubi stessi.
• Vibrazioni di riscaldamento, o fononi, hanno difficoltà a passare attraverso ogni tubo poiché hanno un diametro di soli 10-20 nanometri e sono separati dallo spazio.

Conduzione del gas:

• Le molecole di gas non riescono a muoversi facilmente attraverso i piccoli fori.
• Invece, perdono energia e rimbalzano all'interno (il effetto Knudsen), che riduce la conduzione.

Radiazione:

• Ad alte temperature predomina la radiazione perché i fotoni trasportano calore.
• A causa della loro struttura elettronica (singolarità di van Hove), i nanotubi hanno un notevole assorbimento e dispersione della radiazione infrarossa.
• Gli strati sovrapposti ad angoli diversi intrappolano le radiazioni, riducendo notevolmente il trasferimento di calore.

Si dice che questo isolamento sia notevolmente più efficace dei materiali convenzionali, poiché blocca il calore in tutte le direzioni.

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Dove può essere applicato questo materiale nel mondo reale?

Molti settori che operano in condizioni estremamente calde o fredde potrebbero trarre vantaggio da questa idea.

Spazio aereo:

• Schermatura per il rientro dei veicoli spaziali.
• Protezione per aerei che operano a velocità ipersoniche.
• Barriere termiche nei motori a reazione.

Energia:

• Reattori che sfruttano la fusione.
• Centrali elettriche nucleari.
• Turbine a gas con temperature elevate.

Produzione industriale:

• Fonderie, forni e forni.
• Isolamento leggero per procedure industriali che comportano alte temperature.

Elettronica:

• Il controllo termico è fondamentale nelle situazioni in cui la resistenza al calore e lo spazio sono essenziali.
• La capacità del materiale di avvolgersi attorno a superfici irregolari e la sua flessibilità ne migliorano l'utilizzo pratico.

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Come si confronta con gli attuali isolanti ad alta temperatura?

Il nuovo isolamento in nanotubi di carbonio resiste al calore estremo, a differenza del feltro di grafite, un materiale frequentemente utilizzato, come mostrato nella tabella seguente:

Questo confronto illustra come il materiale dei nanotubi possa superare le prestazioni di isolamento attuali in vari settori.

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Quali sfide devono ancora essere risolte?

Nonostante il potenziale, prima che l'isolamento venga ampiamente utilizzato è necessario superare diversi ostacoli:

• Resistenza all'ossidazione: Ad alte temperature, i nanotubi di carbonio possono decomporsi in presenza di ossigeno. Per garantire che il materiale resista agli ambienti esterni, i ricercatori intendono applicare rivestimenti protettivi.
• Costo e scalabilità: Sebbene sia possibile realizzare fogli di grandi dimensioni, per una diffusione industriale sono necessarie una qualità costante e una riduzione dei costi di produzione.
• Durata sotto stress: I materiali utilizzati nei settori energetico e aerospaziale devono essere in grado di resistere a sollecitazioni meccaniche, esposizione chimica e alte temperature. Saranno necessarie ricerche a lungo termine.

Se questi problemi verranno risolti, l'isolamento con nanotubi potrebbe diventare uno dei materiali più importanti della prossima generazione.

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Domande frequenti (FAQ)

D1: Quanto è calda una temperatura di 2,600 °C (4,712 °F) rispetto alle temperature normali?

Questa temperatura è più alta della superficie di Venere (475 °C) e più alta della lava fusa (1,000-1,200 °C). È vicina alle temperature di fusione di numerosi metalli, tra cui il nichel (1,455 °C) e il ferro (1,538 °C).

D2: È possibile utilizzare questo isolamento per i beni di consumo?

Non subito. Al momento, il materiale è destinato all'uso in ambito aerospaziale e in ambienti industriali difficili. Tuttavia, potrebbe in futuro avere un impatto sull'elettronica e sui gadget di consumo specializzati, con il calo dei prezzi di produzione.

D3: Cosa rende i nanotubi di carbonio così efficaci nel prevenire il trasferimento di calore?

La loro nanostruttura consente loro di assorbire efficacemente le radiazioni, mentre i minuscoli pori limitano la conduzione dei gas e l'architettura a strati riduce la conduzione dei solidi. In pratica, coprono ogni aspetto del trasporto del calore.

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