قوانغتشو، قوانغدونغ، الصين.

[email protected]

+86 13539860818

لافتة منشأة تصنيع الإيروجيل التابعة لشركة قوانغتشو أنكور للتكنولوجيا

الأيروجيل: كيف نشأ

الأيروجيل: مقدمة وخصائص

يُعرف الأيروجيل بأنه أخف مادة صلبة في العالم، حيث يتكون من 97% هواء و3% هيكل صلب، بكثافة تعادل 1.5 مرة فقط كثافة الهواء. إلى جانب كونه خفيف الوزن للغاية، يمتلك الأيروجيل أيضًا قدرات ممتازة في العزل الحراري، ويرجع ذلك أساسًا إلى “تأثير كنودسن”. نظرًا لأن الأيروجيل يتكون في معظمه من السيليكا والهواء، حيث تكون التوصيلية الحرارية للسيليكا معتدلة، وللهواء توصيلية حرارية منخفضة.

أخف مادة صلبة في العالم
مسام نانوية عديدة

بالإضافة إلى ذلك، يتميز الأيروجيل بوجود العديد من المسام النانوية التي تعيق انتشار الهواء عبر المادة، مما يعوق انتقال الحرارة بالحمل.

مركبة المريخ الجوالة

نظرًا لمقاومته لدرجات الحرارة العالية، يُستخدم الأيروجيل غالبًا في بيئات مثل مركبات المريخ الجوالة للعزل.

علاوة على ذلك، تتحقق خاصية مقاومة الماء في الأيروجيل من خلال التعديل، حيث تتحول مجموعات -OH القطبية إلى -OR غير القطبية، مما ينتج أيروجيل كارهًا للماء.

أيروجيل كاره للماء
صامويل كيستلر، مخترع الأيروجيل

على الرغم من أنه يبدو كمنتج متطور من التكنولوجيا الحديثة، إلا أن الأيروجيل طُوِّر لأول مرة في ثلاثينيات القرن العشرين على يد الكيميائي صامويل كيستلر.

ولادة أول أيروجيل

المواد الشبيهة بالهلام شائعة، مثل الجيلاتين الذي نستهلكه، وهو مزيج من الحالتين الصلبة والسائلة. راهن صامويل كيستلر وزميله تشارلز ليرند حول السبب وراء تشكل الجيلاتين كهلام. بينما اعتقد تشارلز أنه يرجع إلى طبيعته السائلة، جادل صامويل بأن المفتاح هو وجود هيكل صلب داخل الهلام.

لإثبات وجهة نظره، أجرى صامويل تجارب لإظهار وجود شبكة صلبة متصلة في الهلام الرطب. كان الهدف إزالة السائل من الهلام مع الاحتفاظ بالهيكل الصلب، مما يثبت أن الهلام ومحتواه السائل غير مرتبطين. ومع ذلك، كانت المشكلة أن مجرد ترك السائل في الهلام يتبخر سيؤدي إلى انكماش الهيكل الصلب بسبب قوى التجاذب بين الجزيئات، مما يؤدي إلى انهيار الهلام.

صامويل كيستلر

للتغلب على هذا، كان على صامويل استبدال السائل في الهلام، وكان الخيار المناسب الوحيد هو الغاز، حيث كان الهلام يحتوي بالفعل على حالتي الصلابة والسائلة. ومع ذلك، لم يكن الغاز العادي قادراً على استبدال السائل في الهلام. استخدم صامويل نهجاً مبتكراً: من خلال تعريض الهلام للضغط والحرارة، جعل السائل يتجاوز نقطته الحرجة، محولاً إياه إلى سائل فوق حرج (بدون تمييز بين السائل والغاز)، مما أزال التجاذب بين الجزيئات.

اختار صامويل سيليكات الصوديوم كمادة خام، محفزة بحمض الهيدروكلوريك لتسهيل التحلل المائي. عمل الماء والإيثانول كمذيبات في التبادل، محولينه إلى هلام كحولي. ثم وُضع الهلام الكحولي في بيئة عالية الحرارة والضغط. عندما وصل الإيثانول إلى حالة السائل فوق الحرج، تم تخفيف ضغط الهلام. مع انخفاض الضغط، تحررت جزيئات الإيثانول كغاز. بعد إزالته من مصدر الحرارة وتبريده، تبخر الإيثانول في الهلام، تاركاً وراءه البنية الصلبة المملوءة بالغاز – أول هلام هوائي.

نُشر هذا البحث في مجلة نيتشر في عام 1931.

تحسينات على طريقة تحضير الهلام الهوائي

سيليكا إيروجيل

مما لا شك فيه أن بحث صامويل كان رائداً، إلا أنه واجه ركوداً لأكثر من 30 عاماً بسبب ظروف التحضير الصعبة والمستهلكة للوقت. لم يكن حتى عام 1970 أن عادت جامعة ليون، بحثاً عن مادة مسامية لتخزين الأكسجين ووقود الصواريخ، إلى الهلام الهوائي، محسّنةً طريقة صامويل.

استبدلت الطريقة الجديدة سيليكات الصوديوم برابع ميثوكسي سيلان (TMOS) والإيثانول بالفورمالديهايد. أنتج هذا التعديل هلامات كحولية من سيليكا عالية الجودة وهلام هوائي، وقلل بشكل كبير من الوقت اللازم للتحضير. مثل هذا التحسين خطوة كبيرة إلى الأمام في علم الهلام الهوائي.

بعد هذه التحسينات، انضم المزيد من الباحثين إلى مجال الهلام الهوائي.

في عام 1983، اكتشف فريق المواد المجهرية في مختبر بيركلي أن المركب شديد السمية TMOS يمكن استبداله برابع إيثوكسي سيلان (TEOS) الأكثر أماناً. كما اكتشفوا أنه قبل التجفيف فوق الحرج، يمكن لثاني أكسيد الكربون السائل أن يحل محل الكحول في الهلام دون الإضرار بالهلام الهوائي.

مثل هذا تقدماً كبيراً في السلامة، حيث يفتقر ثاني أكسيد الكربون إلى خطر الانفجار الذي تتمتع به الكحولات. مع تعمق البحث في الهلام الهوائي، أدرك الفيزيائيون أن هذه المادة النانوية يمكن استخدامها لجمع جسيمات إشعاع شيرينكوف الصعبة الالتقاط، حيث تواجه صعوبة في المرور عبر البنية المعقدة للهلام الهوائي، لتُحتجز في النهاية بالداخل.

بالإضافة إلى جمع الجسيمات، أُرسلت الهلامات الهوائية السيليكية التي أعدها مختبر الدفع النفاث التابع لناسا إلى الفضاء وكُلفت بجمع جسيمات غبار المذنبات.

ثاني أكسيد الكربون السائل

بالنظر إلى هذه النظرة الشاملة لخصائص الأيروجيل وطرق التحضير التي تتحسن باستمرار، من الواضح أن الأيروجيل مادة متميزة. ومع ذلك، وعلى الرغم من مزاياه، لماذا لم يصبح مستخدمًا على نطاق واسع في الحياة اليومية؟

أولاً، هناك تحديات في الإنتاج، وعلى الرغم من تحسين طرق التحضير عدة مرات، فإن الظروف فوق الحرجة الحاسمة لا تزال تشكل عائقًا كبيرًا.

ثانيًا، يواجه الإنتاج الصناعي للأيروجيل تحديًا هائلاً – الأيروجيل هش للغاية. فعلى الرغم من قدرته القوية على تحمل الأحمال، إلا أن مقاومته للشد منخفضة جدًا، مما يجعله عرضة للكسر بأقل قوة. لذلك، عادةً ما تكون هناك حاجة إلى إضافات إضافية.

منتجات الأيروجيل ذات الصلة

اطلب عرض أسعار لهذه المنتجات