Guangzhou, Guangdong, Chiny.

[email protected]

+86 13539860818

Baner zakładu produkcyjnego aerożelu Guangzhou Anchor Technology

Aerogel: Jak powstał

Aerogel: Wprowadzenie i charakterystyka

Aerogel jest znany jako najlżejsze ciało stałe na świecie, składające się w 97% z powietrza i 3% ze struktury stałej, o gęstości zaledwie 1,5 razy większej niż gęstość powietrza. Oprócz tego, że jest niezwykle lekki, aerogel posiada również doskonałe właściwości izolacji termicznej, głównie dzięki “efektowi Knudsena”. Ponieważ aerogel składa się w większości z krzemionki i powietrza, gdzie przewodność cieplna krzemionki jest umiarkowana, a powietrze ma niską przewodność cieplną.

najlżejszy materiał stały na świecie
liczne nanopory

Ponadto aerogel charakteryzuje się licznymi nanoporami, które utrudniają dyfuzję powietrza przez materiał, hamując konwekcyjny transfer ciepła.

łazik marsjański

Ze względu na swoją odporność na wysokie temperatury aerogel jest często stosowany w środowiskach takich jak łaziki marsjańskie do izolacji.

Co więcej, wodoodporność aerogelu uzyskuje się poprzez modyfikację, przekształcając polarne grupy -OH w niepolarne -OR, w wyniku czego powstaje hydrofobowy aerogel.

Hydrofobowy aerożel
Samuel Kistler, wynalazca aerogelu

Mimo że wydaje się być nowoczesnym produktem zaawansowanej technologii, aerogel został po raz pierwszy opracowany w latach 30. XX wieku przez chemika Samuela Kistlera.

Narodziny pierwszego aerogelu

Substancje żelowe są powszechne, takie jak spożywana przez nas żelatyna, która jest połączeniem stanu stałego i ciekłego. Samuel Kistler i jego kolega Charles Learned zawarli zakład o przyczynę tworzenia się żelu przez żelatynę. Podczas gdy Charles uważał, że wynika to z jej ciekłej natury, Samuel twierdził, że kluczowa jest obecność struktury stałej w żelu.

Aby udowodnić swoje racje, Samuel przeprowadził eksperymenty mające na celu wykazanie obecności ciągłej sieci stałej w mokrym żelu. Celem było usunięcie cieczy z żelu przy zachowaniu struktury stałej, co dowiodłoby, że żel i jego zawartość ciekła są niepowiązane. Jednak wyzwaniem było to, że samo pozwolenie na odparowanie cieczy z żelu spowodowałoby skurczenie się struktury stałej z powodu sił przyciągania między cząsteczkami, co doprowadziłoby do zapadnięcia się żelu.

Samuel Kistler

Aby temu zaradzić, Samuel musiał zastąpić ciecz w żelu, a jedyną odpowiednią opcją był gaz, ponieważ żel zawierał już zarówno stan stały, jak i ciekły. Jednak zwykły gaz nie mógł zastąpić cieczy w żelu. Samuel zastosował nowatorskie podejście: poprzez poddanie żelu działaniu ciśnienia i temperatury sprawił, że ciecz przekroczyła swój punkt krytyczny, przekształcając się w płyn nadkrytyczny (bez rozróżnienia między cieczą a gazem), eliminując przyciąganie międzycząsteczkowe.

Samuel wybrał krzemian sodu jako surowiec, katalizowany kwasem chlorowodorowym w celu ułatwienia hydrolizy. Woda i etanol służyły jako rozpuszczalniki w wymianie, przekształcając go w alkogel. Alkogel został następnie umieszczony w środowisku o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu. Gdy etanol osiągnął stan płynu nadkrytycznego, ciśnienie w żelu zostało obniżone. Wraz ze spadkiem ciśnienia cząsteczki etanolu zostały uwolnione jako gaz. Po usunięciu ze źródła ciepła i ochłodzeniu etanol w żelu odparował, pozostawiając strukturę stałą wypełnioną gazem – pierwszy aerogel.

Badania te zostały opublikowane w czasopiśmie Nature w 1931 roku.

Ulepszenia metody przygotowania aerogelu

Aerożel krzemionkowy

Bez wątpienia przełomowe badania Samuela napotkały stagnację na ponad 30 lat z powodu trudnych i czasochłonnych warunków przygotowania. Dopiero w 1970 roku Uniwersytet w Lyonie, poszukując porowatego materiału do przechowywania tlenu i paliwa rakietowego, powrócił do aerogelu, ulepszając metodę Samuela.

Nowa metoda zastąpiła krzemian sodu tetrametoksysilanem (TMOS), a etanol formaldehydem. Ta modyfikacja pozwoliła uzyskać alkogele o wyższej jakości aerogeli krzemionkowych i znacznie skróciła czas wymagany do przygotowania. To ulepszenie stanowiło znaczący krok naprzód w nauce o aerogelach.

Po tych ulepszeniach więcej badaczy dołączyło do dziedziny aerogeli.

W 1983 roku Grupa ds. Materiałów Mikrostrukturalnych w Berkeley Lab odkryła, że wysoce toksyczny związek TMOS można zastąpić bezpieczniejszym tetraetoksysilanem (TEOS). Odkryli również, że przed suszeniem nadkrytycznym ciekły CO2 mógł zastąpić alkohol w żelu bez uszkadzania aerogelu.

Stanowiło to znaczący postęp w zakresie bezpieczeństwa, ponieważ CO2 nie ma niebezpieczeństwa wybuchu charakterystycznego dla alkoholi. W miarę pogłębiania się badań nad aerogelami fizycy zdali sobie sprawę, że ten nanomateriał może być używany do wychwytywania trudnych do uchwycenia cząstek promieniowania Czerenkowa, ponieważ mają trudności z przejściem przez złożoną strukturę aerogelu, ostatecznie ulegając uwięzieniu w jego wnętrzu.

Oprócz wychwytywania cząstek, aerogele krzemionkowe przygotowane przez Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA zostały wysłane w przestrzeń kosmiczną z zadaniem zbierania cząstek pyłu kometarnego.

Ciekły dwutlenek węgla

Biorąc pod uwagę ten kompleksowy przegląd właściwości aerogelu i stale ulepszanych metod jego wytwarzania, jasne jest, że aerogel to wyjątkowy materiał. Jednak mimo jego zalet, dlaczego nie stał się powszechnie stosowany w życiu codziennym?

Po pierwsze, istnieją wyzwania związane z produkcją, a choć metody wytwarzania były wielokrotnie ulepszane, krytyczne warunki nadkrytyczne wciąż stanowią znaczącą barierę.

Po drugie, przemysłowa produkcja aerogelu napotyka zniechęcające wyzwanie – aerogel jest bardzo kruchy. Choć ma silną nośność, jego wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo niska, co czyni go podatnym na pękanie przy niewielkiej sile. Dlatego zazwyczaj wymagane są dodatkowe domieszki.

Powiązane produkty aerożelowe

Poproś o wycenę tych produktów