Desarrollo de fibras térmicas a partir de piel de oso polar

Los osos polares son conocidos por su cálido pelaje, que los protege del frío incluso en caso de heladas severas. Los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de fibra hecha de un material de aerogel que tiene un efecto de aislamiento térmico tan bueno como el pelaje del oso polar. A diferencia de los aerogeles anteriores, el nuevo material es al mismo tiempo duradero y elástico, como demuestran los científicos. Esto significa que se puede tejer o tejer fácilmente en telas como suéteres y otras prendas de vestir. Sus propiedades hacen que los llamados EAF también puedan utilizarse en muchos otros campos de aplicación.

Los científicos de materiales llevan mucho tiempo intentando fabricar tejidos a partir de aerogeles. Estos materiales, desarrollados allá por 1931, se llaman así porque durante su producción el líquido contenido en los geles se intercambia con gas (proceso sol-gel). Los aerogeles tienen un excelente aislamiento térmico porque este proceso los hace muy porosos y conducen muy poco calor. Luego, la NASA utiliza estos materiales para sus naves espaciales. Sin embargo, las fibras de aerogel son generalmente muy frágiles y, por tanto, todavía no son aptas para el procesamiento textil. No tienen la fuerza y ​​la elasticidad necesarias para ser tejidas o tejidas en prendas prácticas. Además, las fibras de aerogel no se pueden lavar a máquina y pierden su efecto aislante cuando se mojan. Los intentos de combinar diferentes aerogeles o fibras de aerogel en bajas concentraciones con otros materiales hasta ahora sólo han dado como resultado tejidos con un aislamiento térmico bastante deficiente.

Modelo de piel de oso polar

Para superar estas deficiencias, un equipo de investigación dirigido por Mingrui Wu de la Universidad de Zhejiang en Hangzhou buscó modelos de fibras aislantes fuertes en la naturaleza. Muchos animales que viven en zonas muy frías tienen un pelaje especial que los mantiene calientes y secos al mismo tiempo. Entre ellos se encuentran los osos polares, cuyo pelaje aislante está formado por pelos con un núcleo poroso y en gran medida hueco y un caparazón denso. Esto hace que el cabello sea flexible y resistente al mismo tiempo, atrapa eficazmente el aire y evita la entrada de humedad.

Wu y sus colegas recrearon esta estructura en el laboratorio. Utilizando el llamado método de hilado por congelación, primero produjeron fibras de aerogel polimérico con innumerables cavidades laminares diminutas. Para ello, prensaron la solución de polímero en barras congeladas durante mucho tiempo. Los científicos los liofilizaron y luego los cubrieron con una fina capa elástica de goma, que dejaron secar con calor. Los investigadores utilizaron aerogeles de quitosano de diferentes colores para las fibras centrales y un poliuretano termoplástico transparente para la cubierta. El resultado fueron fibras de aerogel encapsuladas (EAF) coloreadas, cuya estructura se parecía al pelo de un oso polar bajo un microscopio.

Jersey elástico y cálido elaborado con fibras de aerogel.

A continuación, los científicos probaron las propiedades de estas nuevas fibras. El resultado: aíslan y aislan perfectamente el calor y además son hidrófugos, robustos y flexibles. Los resultados fueron mejores cuando la capa protectora tenía 80 micrómetros de espesor y la fibra interna de aerogel tenía 600 micrómetros de diámetro. Por ejemplo, una fibra de este tipo puede estirarse hasta mil veces su longitud original sin romperse, desgastarse o perder su efecto aislante, informa el equipo. A modo de comparación: las fibras de aerogel tradicionales sólo se pueden estirar aproximadamente un 2%. Una sola fibra con un diámetro de 500 micrómetros era capaz de soportar incluso un peso de 500 gramos sin romperse.

Estas propiedades permiten que el nuevo material se pueda transformar en prendas térmicas tejidas o de punto para el uso diario en regiones extremadamente frías. Para demostrar esto, Wu y sus colegas tejieron un suéter fino usando fibras que desarrollaron con la misma estructura de punto que un suéter hecho con hilo de lana. El suéter EAF aísla el calor tan bien como una chaqueta de plumas cinco veces más gruesa, informan los científicos. En general, el jersey calienta mucho mejor que prendas comparables hechas de plumón, lana o algodón. También se puede lavar en la lavadora sin cambiarlo.

Otros campos de aplicación son posibles

Otra ventaja: las fibras EAF son más baratas de producir que otros hilos, escriben Zhizhi Sheng y Xuetong Zhang, de la Academia China de Ciencias, en un comentario sobre el estudio. Su estructura porosa y las propiedades asociadas hacen que estas fibras de aerogel encapsuladas sean ideales para muchas otras aplicaciones industriales, por ejemplo para la adsorción o separación de sustancias a través de membranas o para materiales de almacenamiento de energía. Sin embargo, para ello, primero se debe optimizar la producción de hornos de arco eléctrico para productos producidos en masa. «Al avanzar simultáneamente en los materiales y su fabricación, las fibras de aerogel podrían tener muchas aplicaciones potenciales», escriben.

Fuente: Mingrui Wu (Universidad de Zhejiang) et al., Science, doi: 10.1126/science.adj8013

© Wissenschaft.de – Claudia Krapp