Mentre i veicoli spaziali rientrano nell'atmosfera, i mezzi ipersonici sfrecciano nei cieli o i reattori nucleari operano al massimo, devono affrontare un calore che si misura in migliaia di gradi, in grado di mettere in seria difficoltà qualunque materiale. Fino ad oggi, bloccare questo calore è stata una vera e propria sfida, dato che la maggior parte dei materiali isolanti tradizionali cede a temperature che superano i 1.500 °C.
Alcuni materiali sono in grado di resistere, ma finiscono per condurre troppo calore nel processo, rendendoli poco efficienti. A queste temperature elevatissime, il problema maggiore diventa l’irraggiamento, ovvero il calore trasportato dai fotoni, che è anche il più difficile da fermare. È per questo che i ricercatori di tutto il mondo inseguono da anni il sogno di un isolante capace di bloccare la trasmissione di calore attraverso i solidi, i gas e, appunto, l'irraggiamento. Oltre a resistere a temperature estreme, questo materiale dovrebbe essere anche leggero e stabile.
Ebbene, un team di scienziati dell’Università di Tsinghua, in Cina, sostiene di aver realizzato proprio questo: un nuovo materiale isolante a base di film di nanotubi di carbonio super-allineati. Per produrlo, il team ha fatto crescere degli “array” di nanotubi di carbonio in verticale e poi li ha “disegnati” in sottili strati, un po' come si fa con la seta. Questi strati vengono poi impilati o avvolti per creare una struttura ultraleggera, porosa e multistrato, una vera e propria innovazione nel campo dell'ingegneria dei materiali.
I ricercatori hanno scoperto che questo ingegnoso materiale è in grado di attenuare tutti i tipi di trasferimento di calore. Per la conduzione, il calore deve viaggiare attraverso gli strati, non lungo i tubi. Dato che i nanotubi hanno un diametro di soli 10-20 nanometri, con tanto spazio vuoto tra loro, c'è pochissimo materiale attraverso cui le vibrazioni (i fononi) possono propagarsi. Quando si tratta della conduzione del calore attraverso i gas, i pori sono così piccoli che le molecole di gas non riescono a muoversi o a scontrarsi facilmente all'interno (il cosiddetto effetto Knudsen), perdendo così energia e limitando il trasferimento di calore.
Per quanto riguarda l'irraggiamento, i nanotubi di carbonio sono eccezionali nell'assorbire e diffondere la luce infrarossa. Impilando gli strati con angolazioni diverse, l'irraggiamento viene intrappolato in modo ancora più efficace. Durante lo studio, il team ha rilevato che il nuovo materiale ha una conduttività termica di 0,004 W/mK a temperatura ambiente e di 0,03 W/mK a 2.600 °C, un valore notevolmente migliore rispetto ai materiali usati comunemente come isolanti ad alta temperatura.
Oltre a queste proprietà eccezionali, il materiale è molto stabile, mostrando solo un 5% di degrado dopo 310 cicli tra temperatura ambiente e 2.000 °C. È anche incredibilmente leggero e flessibile, capace di avvolgersi attorno a forme irregolari. La produzione su larga scala è possibile, con la capacità di creare fogli larghi fino a 550 millimetri e potenzialmente lunghi centinaia di metri.
Come ventilato nell'incipit, le applicazioni spaziano dal settore aerospaziale, come componenti per veicoli spaziali, aerei ipersonici e motori a reazione, al settore energetico, inclusi reattori a fusione e centrali nucleari. Potrebbe rivelarsi utile anche per forni, fornaci e ambienti di produzione estremi.
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