Een nieuw keramisch materiaal is extreem poreus, vederlicht en prima bestand tegen snelle temperatuursverandering. Daarmee is het een goede kandidaat voor gebruik in de ruimtevaart, bijvoorbeeld voor hitteschilden.

Piepschuim on steroids zou je het bijzondere materiaal kunnen noemen, dat onderzoekers in de Verenigde Staten hebben gemaakt. Ze produceerden een zogeheten aerogel van keramiek, een extreem poreus materiaal dat bijna volledig uit lucht bestaat. De details beschrijven ze in een artikel in het tijdschrift Science, dat vandaag verscheen.

Materialen die goed warmte isoleren, doen dat dankzij de isolerende werking van stilstaande lucht. Dat geldt al voor een wollen trui, en natuurlijk voor dubbel glas. Maar ook andere materialen in de bouw (polyurethaanschuim, steenwol) gebruiken dit principe.
 

Complex netwerk

Het nieuwe materiaal tilt dit idee naar een hoger niveau. Het team van de University of California in Los Angeles (UCLA) maakt een aerogel van het keramische materiaal boornitride. Dat vormt dunne draden die allemaal met elkaar zijn verbonden tot een ingewikkeld netwerk; zie de microscoopfoto hieronder. Nog geen 1 % van de aerogel bestaat uit boornitride, de rest (meer dan 99 % dus) is lucht.

 

De aerogel bestaat uit een netwerk van dunne draden van boornitride die met elkaar zijn verbonden. Bron Xu et al., Science, 2019.

 

Het spul weegt bijna niets: tussen de 0,1 en 5 milligram per kubieke centimeter. Ter vergelijking: water van dat volume weegt 1 gram (200 tot 10.000 keer zo veel). De foto bovenaan illustreert hoe vederlicht het materiaal is; een blokje gemaakt van de aerogel staat op de stamper van een bloem.
 

Bijzondere eigenschappen

De nieuwe aerogel heeft bijzondere eigenschappen, zagen de onderzoekers. Als je een blokje van het materiaal verwarmt, zet het niet uit, zoals de meeste materialen. Het krimpt juist. Nog iets geks: pers een blokje samen en het bulkt niet uit aan de zijkanten maar wordt juist smaller. Het is ook niet bros, wat je van keramiek zou verwachten, maar liet zich in proeven honderden keren vervormen zonder stuk te gaan.

Dit onverwachte materiaalgedrag komt door de structuur op microniveau; die is hyperbolisch (zie de figuur hieronder) en lijkt dus op een soort dubbele trechter. Het is een vorm die ook in architectuur wordt gebruikt, om een smalle structuur toch veel draagkracht te geven.

 

De structurele opbouw van de nieuwe aerogel. Links is de hyperbolische structuur te zien, die uit enkele of dubbele draden kan bestaan. Het materiaal heeft de opmerkelijke eigenschap dat het smaller wordt als je het indrukt (negatieve Poisson-factor, zie rechtsboven) en krimpt als je het verwarmt (rechtsonder).


Bestand tegen temperatuursverandering

Dankzij de rare mechanische eigenschappen is de nieuwe aerogel goed bestand tegen plotselinge temperatuursveranderingen. De onderzoekers lieten de temperatuur heel snel oplopen, met 275 graden per seconde, van -198 tot 900 graden Celsius. Maar het materiaal gaf geen krimp. Dat wil zeggen: het kromp wel, maar ging niet stuk.

En precies deze eigenschap laat een mogelijke toepassing van het materiaal zien: op plekken waar de temperatuur hoog kan oplopen, en snel ook. In de ruimtevaart bijvoorbeeld. Raketten en andere ruimtevaartuigen kunnen het ene moment loeiheet worden (als ze door de dampkring gaan) en een tijdje later weer ijskoud zijn (als ze in het vacuum van het heelal zijn). Bovendien moeten raketonderdelen zo licht mogelijk zijn, om brandstof te besparen. Een vederlicht en warmte-isolerende aerogel zou wel eens erg handig kunnen zijn om een hitteschild van te maken.
 

Openingsfoto X. Xu / X. Duan