Guangzhou, Guangdong, Kitajska.

[email protected]

+86 13539860818

Pasica proizvodnega obrata aerogela Guangzhou Anchor Technology

Aerogel: kako je nastal

Aerogel: predstavitev in značilnosti

Aerogel velja za najlažjo trdno snov na svetu, sestavljeno iz 97 % zraka in 3 % trdne strukture, z gostoto le 1,5-krat večjo od gostote zraka. Poleg izjemne lahkosti ima aerogel tudi odlične toplotnoizolacijske sposobnosti, predvsem zaradi »Knudsenovega pojava«. Aerogel je večinoma sestavljen iz silicijevega dioksida in zraka, pri čemer je toplotna prevodnost silicijevega dioksida zmerna, zrak pa ima nizko toplotno prevodnost.

najlažji trdni material na svetu
številne nanopore

Poleg tega ima aerogel številne nanopore, ki ovirajo difuzijo zraka skozi material in zavirajo konvektivni prenos toplote.

Marsov rover

Zaradi visoke temperaturne odpornosti se aerogel pogosto uporablja za izolacijo v okoljih, kot so vozila na Marsu.

Poleg tega je vodoodbojna lastnost aerogela dosežena s modifikacijo, ki polarne -OH skupine pretvori v nepolarne -OR, kar daje hidrofobni aerogel.

Hidrofobni aerogel
Samuel Kistler, izumitelj aerogela

Čeprav se zdi vrhunski izdelek sodobne tehnologije, je aerogel prvi razvil kemik Samuel Kistler v tridesetih letih 20. stoletja.

Rojstvo prvega aerogela

Gelu podobne snovi so pogoste, na primer želatina, ki jo uživamo in je kombinacija trdnega in tekočega stanja. Samuel Kistler in njegov kolega Charles Learned sta se stavila o razlogu, zakaj želatina tvori gel. Charles je menil, da je razlog v njeni tekoči naravi, Samuel pa je trdil, da je ključna prisotnost trdne strukture v gelu.

Da bi dokazal svoje stališče, je Samuel izvedel poskuse, s katerimi je dokazal prisotnost neprekinjene trdne mreže v mokrem gelu. Cilj je bil odstraniti tekočino iz gela, hkrati pa ohraniti trdno strukturo in dokazati, da gel in njegova vsebnost tekočine nista povezana. Izziv pa je bil, da bi preprosto izhlapevanje tekočine iz gela povzročilo krčenje trdne strukture zaradi privlačnih sil med molekulami, kar bi povzročilo propad gela.

Samuel Kistler

Da bi to premostil, je moral Samuel zamenjati tekočino v gelu, edina primerna možnost pa je bil plin, saj je gel že vseboval tako trdno kot tekoče stanje. Vendar običajni plin ni mogel zamenjati tekočine v gelu. Samuel je uporabil nov pristop: z dovajanjem tlaka in segrevanjem gela je tekočino pripeljal prek njene kritične točke in jo spremenil v superkritično tekočino (brez razlike med tekočino in plinom), s čimer je odpravil medmolekularno privlačnost.

Samuel je kot surovino izbral natrijev silikat, kataliziran s klorovodikovo kislino za hidrolizo. Voda in etanol sta služila kot topila pri izmenjavi, pri čemer se je snov pretvorila v alkogel. Alkogel je bil nato izpostavljen visoki temperaturi in visokemu tlaku. Ko je etanol dosegel stanje superkritične tekočine, je bil gel razbremenjen tlaka. Z zniževanjem tlaka so se molekule etanola sprostile kot plin. Ko je bil odstranjen od vira toplote in ohlajen, je etanol v gelu izhlapel, za seboj pa je pustil trdno strukturo, napolnjeno s plinom – prvi aerogel.

Ta raziskava je bila objavljena v reviji Nature leta 1931.

Izboljšave metode priprave aerogela

Silikagel

Nedvomno prelomna raziskava Samuela je zaradi zahtevnih in dolgotrajnih pogojev priprave več kot 30 let stagnirala. Šele leta 1970 je Univerza v Lyonu, ki je iskala porozni material za shranjevanje kisika in raketnega goriva, ponovno obravnavala aerogel in izboljšala Samuelovo metodo.

Nova metoda je nadomestila natrijev silikat s tetrametoksisilanom (TMOS) in etanol s formaldehidom. Ta sprememba je omogočila alkogele silicijevega aerogela višje kakovosti in znatno skrajšala čas, potreben za pripravo. Ta izboljšava je pomenila pomemben korak naprej v znanosti o aerogelu.

Po teh izboljšavah se je več raziskovalcev pridružilo področju aerogelov.

Leta 1983 je skupina za mikrostrukturne materiale pri Berkeley Lab ugotovila, da je močno strupeno spojino TMOS mogoče nadomestiti z varnejšim tetraetoksisilanom (TEOS). Prav tako so odkrili, da lahko pred superkritičnim sušenjem tekoči CO2 nadomesti alkohol v gelu, ne da bi poškodoval aerogel.

To je pomenilo velik varnostni napredek, saj CO2 nima eksplozivne nevarnosti alkoholov. Ko se je raziskovanje aerogelov poglobilo, so fiziki spoznali, da je ta nanomaterial mogoče uporabiti za zbiranje težko ulovljivih delcev Čerenkovega sevanja, saj se ti težko prebijajo skozi zapleteno strukturo aerogela in se na koncu ujamejo v njej.

Poleg zbiranja delcev so bili silicijevi aerogeli, pripravljeni v Laboratoriju za reaktivni pogon NASA, poslani v vesolje z nalogo zbiranja delcev kometnega prahu.

Tekoči ogljikov dioksid

Glede na ta celovit pregled lastnosti aerogela in nenehno izboljševanje metod priprave je jasno, da je aerogel izjemen material. Toda kljub njegovim prednostim, zakaj se ni široko uporabljal v vsakdanjem življenju?

Prvič, pri proizvodnji obstajajo izzivi, in čeprav so bile metode priprave večkrat izboljšane, kritični superkritični pogoji še vedno predstavljajo veliko oviro.

Drugič, industrijska proizvodnja aerogelov se sooča z zastrašujočim izzivom – aerogel je zelo krhek. Čeprav ima močno nosilnost, je njegova natezna trdnost zelo nizka, zato se ob rahli sili zlahka zlomi. Zato so običajno potrebni dodatni aditivi.

Povezani aeroželni izdelki

Zaprosite za ponudbo za te izdelke

Kako se izdeluje aerogel?

Kako se izdeluje aerogel, se spušča na zamenjavo tekočine v mokrem gelu s plinom, ne da bi se mreža porušila. V preteklosti je to zahtevalo superkritično sušenje; zdaj sušenje pri okoljskem tlaku in prožne vlaknene podlage to spremenijo v industrijsko izolacijsko odejo.