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エアロゲル：その誕生と特徴

エアロゲル：紹介と特性

エアロゲルは世界で最も軽い固体材料として知られ、97%が空気、3%が固体構造で構成され、その密度は空気のわずか1.5倍です。非常に軽量であることに加え、エアロゲルは優れた断熱性能も持っており、これは主に「クヌーセン効果」によるものです。エアロゲルは主にシリカと空気で構成されており、シリカの熱伝導率は中程度で、空気は低い熱伝導率を持っています。.

世界最軽量の固体材料
多数のナノスケール細孔

さらに、エアロゲルは多数のナノスケールの細孔を持ち、材料内の空気の拡散を妨げ、対流熱伝達を阻害します。.

火星探査車

その耐高温性により、エアロゲルは火星探査車などの環境での断熱にしばしば使用されます。.

また、エアロゲルの耐水性は改質によって実現され、極性の-OH基を非極性の-ORに変換することで、疎水性のエアロゲルが得られます。.

疎水性エアロゲル
エアロゲルの発明者サミュエル・キストラー

現代技術の最先端製品のように見えますが、エアロゲルは1930年代に化学者サミュエル・キスラーによって最初に開発されました。.

最初のエアロゲルの誕生

ゲル状物質は一般的で、私たちが消費するゼラチンなどは固体と液体の状態の組み合わせです。サミュエル・キスラーと同僚のチャールズ・ラーニッドは、ゼラチンがゲルを形成する理由について賭けをしました。チャールズはそれが液体の性質によるものだと考えましたが、サミュエルはゲル内に固体構造が存在することが鍵だと主張しました。.

彼の主張を証明するために、サミュエルは湿ったゲルに連続した固体ネットワークが存在することを示す実験を行いました。目的は、固体構造を保持しながらゲルから液体を除去し、ゲルとその液体含有物が無関係であることを証明することでした。しかし、課題は、ゲル内の液体を単に蒸発させると、分子間の引力により固体構造が収縮し、ゲルが崩壊することでした。.

サミュエル・キストラー

これを克服するために、サミュエルはゲル内の液体を置き換える必要があり、ゲルがすでに固体と液体の両方の状態を含んでいたため、唯一の適切な選択肢は気体でした。しかし、通常の気体ではゲル内の液体を置き換えることができませんでした。サミュエルは新しいアプローチを用いました：ゲルを加圧および加熱することにより、液体をその臨界点を超えさせ、超臨界流体（液体と気体の区別がない）に変え、分子間引力を排除しました。.

サミュエルは原料としてケイ酸ナトリウムを選び、塩酸で触媒して加水分解を促進しました。水とエタノールが交換の溶媒として機能し、それをアルコゲルに変えました。次に、アルコゲルを高温高圧環境に置きました。エタノールが超臨界流体状態に達すると、ゲルは減圧されました。圧力が低下するにつれて、エタノール分子は気体として放出されました。熱源から取り出して冷却すると、ゲル内のエタノールは蒸発し、気体で満たされた固体構造が残りました – これが最初のエアロゲルです。.

この研究は1931年にジャーナルNatureに発表されました。.

エアロゲル調製法の改善

シリカエアロゲル

間違いなく画期的でしたが、サミュエルの研究は、困難で時間のかかる調製条件のために30年以上停滞しました。1970年になって、リヨン大学が酸素とロケット燃料を貯蔵するための多孔質材料を求めてエアロゲルを再訪し、サミュエルの方法を改良しました。.

新しい方法では、ケイ酸ナトリウムをテトラメトキシシラン（TMOS）に、エタノールをホルムアルデヒドに置き換えました。この変更により、より高品質のシリカエアロゲルのアルコゲルが生成され、調製に必要な時間が大幅に短縮されました。この改善は、エアロゲル科学における重要な前進を示しました。.

これらの改善後、より多くの研究者がエアロゲルの分野に参加しました。.

1983年、バークレー研究所の微細構造材料グループは、高毒性の化合物TMOSをより安全なテトラエトキシシラン（TEOS）に置き換えることができることを発見しました。彼らはまた、超臨界乾燥の前に、液体CO2がエアロゲルを損傷することなくゲル内のアルコールを置き換えることができることを発見しました。.

これは主要な安全性の進歩を表しました。なぜなら、CO2はアルコールのような爆発の危険性がないからです。エアロゲルの研究が深まるにつれて、物理学者はこのナノスケール材料が捕獲が難しいチェレンコフ放射粒子を収集するために使用できることを認識しました。なぜなら、それらはエアロゲルの複雑な構造を通過するのに苦労し、最終的に内部に閉じ込められるからです。.

粒子収集に加えて、NASAのジェット推進研究所によって調製されたシリカエアロゲルが宇宙に送られ、彗星塵粒子を収集する任務を負いました。.

液体二酸化炭素

エアロゲルの特性と絶え間なく改善される製造方法に関するこの包括的な概要を踏まえると、エアロゲルが優れた材料であることは明らかです。しかし、その利点にもかかわらず、なぜ日常生活で広く使用されていないのでしょうか？

第一に、生産における課題があり、製造方法は何度も改善されてきたものの、重要な超臨界条件が依然として大きな障壁となっています。.

第二に、エアロゲルの工業生産は困難な課題に直面しています – エアロゲルは非常に脆いのです。強い耐荷重能力を持ちながらも、引張強度が非常に低いため、わずかな力で壊れやすくなっています。したがって、通常は追加の添加剤が必要です。.

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