Nový päťvrstvový keramický aerogél sa dokáže stlačiť o 98 percent a obnoviť svoj tvar od kryogénnych teplôt až po teploty 1500 stupňov Celzia, čím prekonáva konvenčné termoizolačné materiály.
Aerogély sú zázračné materiály. Svoje využitie nachádzajú vo viacerých zaujímavých aplikáciách tam, kde súčasné keramické materiály zlyhávajú, napríklad ako tepelná izolácia pre pokročilé turbíny. Zdroj: iStock, University of Oxford
Keramické aerogély patria medzi najzaujímavejšie moderné materiály. Sú neuveriteľne ľahké – v skutočnosti ide o jedny z najľahších pevných látok, aké sa ľudstvu podarilo vytvoriť. Zároveň dokážu odolávať extrémnym podmienkam, ako sú vysoké teploty, silné chemické prostredie či vákuum, a výborne izolujú teplo aj elektrinu.
Majú však jednu zásadnú slabinu – sú krehké. To, čo im dáva ich výnimočné vlastnosti, teda pevné a veľmi silné atómové väzby, je zároveň ich Achillovou pätou. Stačí mechanický náraz, tlak alebo prudká zmena teploty a materiál môže prasknúť či rozpadnúť sa.
Tajomstvo odolnosti materiálu
Materiáloví vedci sa už roky snažia tento problém vyriešiť. V poslednom čase sa ako veľmi sľubné riešenie ukazuje tzv. keramika s vysokou entropiou.
Na rozdiel od bežnej keramiky, ktorá je zvyčajne zložená z jedného alebo dvoch kovových prvkov, vysokoentropická keramika obsahuje najmenej päť rôznych kovov. Tieto atómy nie sú usporiadané do pravidelného vzoru, ale sú v kryštalickej mriežke rozmiestnené náhodne.
A práve tento atómový chaos je jej výhodou. Mix prvkov narúša šírenie trhlín a napätí v materiáli, takže výsledná keramika je odolnejšia proti praskaniu, nárazom aj teplotným šokom.
Superkeramika z Číny
Nedávno vytvoril nový typ takejto vysokoentropickej keramiky tím z Lanzhouského inštitútu chemickej fyziky v Číne. Materiál obsahuje päť kovových prvkov, konkrétne gadolínium, lutécium, titán, zirkónium a hafnium, ktoré sú viazané s kyslíkom do špeciálnej kryštalickej štruktúry. Podľa chemických skratiek týchto kovov (Gd, Lu, Ti, Zr, Hf) dostal materiál názov GLTZH.
Výsledkom je keramický aerogél s mimoriadnymi vlastnosťami. Tou najpôsobivejšou je jeho superelastická stlačiteľnosť. Materiál možno stlačiť až na 2 percentá pôvodného objemu, pričom po uvoľnení sa opäť vráti do pôvodného tvaru.
A to sa dá nie v laboratórnych (izbových) podmienkach, ale v extrémoch od -196 °C až po 1 500 °C. Inými slovami, GLTZH zostáva pružný aj pri teplotách tekutého dusíka a zároveň prežije žiarenie, pri ktorom by väčšina materiálov dávno zlyhala.
Okrem toho ide o vynikajúci tepelný izolant. Pri vysokých teplotách dokonca prekonáva väčšinu dnes používaných keramických izolačných materiálov, čo z neho robí ideálneho kandidáta pre letectvo, kozmický výskum, energetiku či ochranné vrstvy v extrémnych podmienkach.
Superelastický keramický aerogél. Zdroj: Jiang et al. 2025
Experiment s polymérmi
Pozoruhodný nie je len samotný materiál, ale i spôsob jeho výroby. Namiesto klasickej a nie vždy spoľahlivej metódy, pri ktorej sa oxidy jednotlivých kovov najprv rozdrvia a potom sa ich zmes zohrieva na extrémne teploty, zvolil čínsky tím úplne inovátorský prístup.
Vedci použili polymérové molekuly, ktoré už v sebe obsahovali požadované kovové prvky v presne daných pomeroch. Keď sa tieto molekuly zmiešajú a zahrejú, vznikne dokonale premiešaný materiál, v ktorom sú atómy gadolínia, lutécia, titánu, zirkónia a hafnia rozptýlené náhodne, čiže presne tak, ako to vysokoentropická keramika potrebuje. Výsledkom je rovnomerná, stabilná a mimoriadne odolná štruktúra, ktorú by bolo možné klasickými metódami veľmi ťažko dosiahnuť.
Rozmanité využitie
Materiál s takýmito vlastnosťami má obrovský aplikačný potenciál. GLTZH by sa mohol stať tepelnou izoláciou novej generácie najmä tam, kde dnešné keramické materiály narážajú na svoje limity. Hovoríme napríklad o hypersonických lietadlách a raketách, pokročilých plynových a jadrových turbínach, vesmírnych lodiach a družiciach alebo by našiel využitie v letectve a energetike, kde extrémne teploty a mechanické namáhanie ničia bežné materiály.
Ak sa tieto vlastnosti potvrdia aj v praxi, vysokoentropická keramika GLTZH by mohla výrazne posunúť hranice toho, čo dokážeme v extrémnych podmienkach postaviť a udržať pokope.
Zdroje: Nanowerk, Jiang et al. 2025
(RR)
