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Aerogel: Wie es dazu kam

Aerogel: Einführung und Eigenschaften

Aerogel gilt als das leichteste feste Material der Welt und besteht zu 97% aus Luft und zu 3% aus fester Struktur, mit einer Dichte, die nur 1,5-mal so hoch ist wie die von Luft. Abgesehen von seinem extrem geringen Gewicht besitzt Aerogel auch hervorragende Wärmedämmeigenschaften, hauptsächlich aufgrund des “Knudsen-Effekts”. Da Aerogel größtenteils aus Siliciumdioxid und Luft besteht, wobei die Wärmeleitfähigkeit von Siliciumdioxid mäßig und die von Luft gering ist.

leichteste feste Material der Welt
zahlreiche nanoskalige Poren

Darüber hinaus weist Aerogel zahlreiche Nanoporen auf, die die Diffusion von Luft durch das Material behindern und so den konvektiven Wärmetransport hemmen.

Mars-Rover

Aufgrund seiner Hochtemperaturbeständigkeit wird Aerogel häufig in Umgebungen wie Marsrovern zur Isolierung eingesetzt.

Darüber hinaus wird die Wasserbeständigkeit von Aerogel durch Modifikation erreicht, indem polare -OH-Gruppen in unpolare -OR umgewandelt werden, was zu einem hydrophoben Aerogel führt.

Hydrophobes Aerogel
Samuel Kistler, Erfinder des Aerogels

Obwohl es wie ein hochmodernes Produkt der modernen Technologie erscheint, wurde Aerogel erstmals in den 1930er Jahren von dem Chemiker Samuel Kistler entwickelt.

Die Geburt des ersten Aerogels

Gelartige Substanzen sind weit verbreitet, wie zum Beispiel die Gelatine, die wir konsumieren und die eine Kombination aus festem und flüssigem Zustand darstellt. Samuel Kistler und sein Kollege Charles Learned wetteten über den Grund, warum Gelatine ein Gel bildet. Während Charles glaubte, es liege an ihrer flüssigen Natur, argumentierte Samuel, dass der Schlüssel in der Existenz einer festen Struktur innerhalb des Gels liege.

Um seinen Standpunkt zu beweisen, führte Samuel Experimente durch, um das Vorhandensein eines kontinuierlichen festen Netzwerks in nassem Gel zu demonstrieren. Das Ziel war, die Flüssigkeit aus dem Gel zu entfernen und dabei die feste Struktur zu erhalten, um zu beweisen, dass Gel und sein Flüssigkeitsgehalt nichts miteinander zu tun haben. Die Herausforderung bestand jedoch darin, dass einfaches Verdampfen der Flüssigkeit im Gel dazu führen würde, dass die feste Struktur aufgrund der Anziehungskräfte zwischen den Molekülen schrumpft, was zum Zusammenbruch des Gels führt.

Samuel Kistler

Um dies zu überwinden, musste Samuel die Flüssigkeit im Gel ersetzen, und die einzige geeignete Option war Gas, da das Gel bereits sowohl feste als auch flüssige Zustände enthielt. Normales Gas konnte jedoch die Flüssigkeit im Gel nicht ersetzen. Samuel verwendete einen neuartigen Ansatz: Durch Druckbeaufschlagung und Erhitzung des Gels brachte er die Flüssigkeit über ihren kritischen Punkt hinaus und verwandelte sie in eine überkritische Flüssigkeit (ohne Unterscheidung zwischen Flüssigkeit und Gas), wodurch die intermolekulare Anziehung eliminiert wurde.

Samuel wählte Natriumsilikat als Rohmaterial, katalysiert durch Salzsäure, um die Hydrolyse zu ermöglichen. Wasser und Ethanol dienten als Lösungsmittel beim Austausch und verwandelten es in ein Alkogel. Das Alkogel wurde dann in eine Hochtemperatur- und Hochdruckumgebung gebracht. Als Ethanol den Status einer überkritischen Flüssigkeit erreichte, wurde das Gel druckentlastet. Mit abnehmendem Druck wurden Ethanolmoleküle als Gas freigesetzt. Nach Entfernung von der Wärmequelle und Abkühlung verdampfte das Ethanol im Gel und hinterließ die mit Gas gefüllte feste Struktur – das erste Aerogel.

Diese Forschung wurde 1931 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Verbesserungen der Aerogel-Herstellungsmethode

Silica-Aerogel

Zweifellos bahnbrechend, stagnierte Samuels Forschung über 30 Jahre lang aufgrund schwieriger und zeitaufwändiger Herstellungsbedingungen. Erst 1970 griff die Universität Lyon, auf der Suche nach einem porösen Material zur Speicherung von Sauerstoff und Raketentreibstoff, das Aerogel wieder auf und verbesserte Samuels Methode.

Die neue Methode ersetzte Natriumsilikat durch Tetramethoxysilan (TMOS) und Ethanol durch Formaldehyd. Diese Modifikation erzeugte Alkogele mit Siliciumdioxid-Aerogelen höherer Qualität und reduzierte die für die Herstellung erforderliche Zeit erheblich. Diese Verbesserung markierte einen bedeutenden Fortschritt in der Aerogel-Wissenschaft.

Nach diesen Verbesserungen schlossen sich mehr Forscher dem Bereich der Aerogele an.

1983 fand die Microstructure Materials Group am Berkeley Lab heraus, dass die hochgiftige Verbindung TMOS durch das sicherere Tetraethoxysilan (TEOS) ersetzt werden konnte. Sie entdeckten auch, dass vor der überkritischen Trocknung flüssiges CO2 den Alkohol im Gel ersetzen konnte, ohne das Aerogel zu beschädigen.

Dies stellte einen großen Sicherheitsfortschritt dar, da CO2 nicht die Explosionsgefahr von Alkoholen aufweist. Als die Forschung zu Aerogelen vertieft wurde, erkannten Physiker, dass dieses nanoskalige Material zur Sammlung schwer fassbarer Cherenkov-Strahlungspartikel verwendet werden könnte, da diese Schwierigkeiten haben, die komplexe Struktur des Aerogels zu durchdringen, und schließlich darin eingeschlossen werden.

Neben der Partikelsammlung wurden Siliciumdioxid-Aerogele, die vom Jet Propulsion Laboratory der NASA hergestellt wurden, in den Weltraum geschickt und mit der Aufgabe betraut, Kometenstaubpartikel zu sammeln.

Flüssiges Kohlendioxid

Angesichts dieses umfassenden Überblicks über die Eigenschaften von Aerogel und der sich ständig verbessernden Herstellungsmethoden ist klar, dass Aerogel ein herausragendes Material ist. Doch trotz seiner Vorzüge: Warum hat es sich im Alltag nicht weit verbreitet?

Erstens gibt es Herausforderungen in der Produktion, und obwohl die Herstellungsmethoden mehrfach verbessert wurden, stellen die kritischen überkritischen Bedingungen nach wie vor eine erhebliche Hürde dar.

Zweitens steht die industrielle Produktion von Aerogelen vor einer gewaltigen Herausforderung – Aerogel ist sehr spröde. Obwohl es eine starke Tragfähigkeit besitzt, ist seine Zugfestigkeit sehr gering, wodurch es bei geringer Krafteinwirkung leicht bricht. Daher sind in der Regel zusätzliche Additive erforderlich.

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Wie wird Aerogel hergestellt?

Wie Aerogel hergestellt wird, läuft darauf hinaus, die Flüssigkeit in einem nassen Gel durch Gas zu ersetzen, ohne das Netzwerk kollabieren zu lassen. Historisch wurde dafür die überkritische Trocknung verwendet; heute machen Trocknung bei Umgebungsdruck und flexible Fasersubstrate daraus eine industrielle Isolierdecke.