กว่างโจว มณฑลกวางตุ้ง ประเทศจีน.

แบนเนอร์โรงงานผลิตแอโรเจลของ Guangzhou Anchor Technology

แอโรเจล: จุดกำเนิดและที่มา

แอโรเจล: บทนำและคุณลักษณะ

แอโรเจลเป็นที่รู้จักในฐานะวัสดุแข็งที่เบาที่สุดในโลก ประกอบด้วยอากาศ 97% และโครงสร้างของแข็ง 3% โดยมีความหนาแน่นเพียง 1.5 เท่าของอากาศ นอกจากจะเบาเป็นพิเศษแล้ว แอโรเจลยังมีความสามารถในการเป็นฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยม ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจาก “ปรากฏการณ์คนุดเซน” เนื่องจากแอโรเจลประกอบด้วยซิลิกาและอากาศเป็นส่วนใหญ่ โดยที่ค่าการนำความร้อนของซิลิกาอยู่ในระดับปานกลาง และอากาศมีค่าการนำความร้อนต่ำ.

วัสดุแข็งที่เบาที่สุดในโลก
รูพรุนระดับนาโนจำนวนมาก

นอกจากนี้ แอโรเจลยังมีรูพรุนขนาดนาโนจำนวนมากซึ่งขัดขวางการแพร่ของอากาศผ่านวัสดุ ทำให้ขัดขวางการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน.

ยานสำรวจดาวอังคาร

เนื่องจากความทนทานต่ออุณหภูมิสูง แอโรเจลจึงมักถูกใช้ในสภาพแวดล้อม เช่น ยานสำรวจดาวอังคาร เพื่อเป็นฉนวน.

ยิ่งไปกว่านั้น คุณสมบัติกันน้ำของแอโรเจลนั้นได้มาจากการดัดแปร โดยเปลี่ยนหมู่ -OH ที่มีขั้วให้เป็น -OR ที่ไม่มีขั้ว ส่งผลให้ได้แอโรเจลที่ไม่ชอบน้ำ.

แอโรเจลไม่ชอบน้ำ
ซามูเอล คิสต์เลอร์ ผู้ประดิษฐ์แอโรเจล

แม้จะดูเหมือนเป็นผลิตภัณฑ์ล้ำสมัยของเทคโนโลยีปัจจุบัน แต่แอโรเจลถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกในทศวรรษ 1930 โดยนักเคมีชื่อ ซามูเอล คิสต์เลอร์.

การถือกำเนิดของแอโรเจลชนิดแรก

สารคล้ายเจลเป็นสิ่งที่พบได้ทั่วไป เช่น เจลาตินที่เราบริโภค ซึ่งเป็นการรวมกันของสถานะของแข็งและของเหลว ซามูเอล คิสต์เลอร์ และเพื่อนร่วมงานของเขา ชาร์ลส์ เลิร์นเนด พนันกันเกี่ยวกับสาเหตุที่เจลาตินกลายเป็นเจล ขณะที่ชาร์ลส์เชื่อว่าเกิดจากธรรมชาติของของเหลว ซามูเอลโต้แย้งว่าสิ่งสำคัญคือการมีอยู่ของโครงสร้างของแข็งภายในเจล.

เพื่อพิสูจน์จุดยืนของเขา ซามูเอลได้ทำการทดลองเพื่อแสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของโครงข่ายของแข็งต่อเนื่องในเจลเปียก เป้าหมายคือการกำจัดของเหลวออกจากเจลในขณะที่ยังคงโครงสร้างของแข็งไว้ พิสูจน์ว่าเจลและปริมาณของเหลวในนั้นไม่มีความเกี่ยวข้องกัน อย่างไรก็ตาม ความท้าทายคือการปล่อยให้ของเหลวในเจลระเหยไปจะทำให้โครงสร้างของแข็งหดตัวลงเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ส่งผลให้เจลยุบตัว.

ซามูเอล คิสต์เลอร์

เพื่อเอาชนะปัญหานี้ ซามูเอลต้องเปลี่ยนของเหลวในเจล และตัวเลือกเดียวที่เหมาะสมคือก๊าซ เนื่องจากเจลมีทั้งสถานะของแข็งและของเหลวอยู่แล้ว อย่างไรก็ตาม ก๊าซทั่วไปไม่สามารถแทนที่ของเหลวในเจลได้ ซามูเอลใช้วิธีการใหม่ โดยการเพิ่มความดันและให้ความร้อนแก่เจล เขาทำให้ของเหลวเกินจุดวิกฤต กลายเป็นของไหลวิกฤตยิ่งยวด (ซึ่งไม่มีความแตกต่างระหว่างของเหลวและก๊าซ) ขจัดแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล.

ซามูเอลเลือกโซเดียมซิลิเกตเป็นวัตถุดิบ โดยใช้กรดไฮโดรคลอริกเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อช่วยในกระบวนการไฮโดรไลซิส น้ำและเอทานอลทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายในกระบวนการแลกเปลี่ยน เปลี่ยนเป็นแอลโคเจล จากนั้นนำแอลโคเจลไปวางในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและความดันสูง เมื่อเอทานอลเข้าสู่สถานะของไหลวิกฤตยิ่งยวด เจลก็ถูกลดความดัน เมื่อความดันลดลง โมเลกุลเอทานอลถูกปล่อยออกมาเป็นก๊าซ เมื่อนำออกจากแหล่งความร้อนและทำให้เย็นลง เอทานอลในเจลระเหยออกไป เหลือไว้เพียงโครงสร้างของแข็งที่เต็มไปด้วยก๊าซ ซึ่งก็คือแอโรเจลชนิดแรก.

งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature ในปี ค.ศ. 1931.

การปรับปรุงวิธีการเตรียมแอโรเจล

ซิลิกาแอโรเจล

งานวิจัยของซามูเอลนั้นสร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญอย่างไม่ต้องสงสัย แต่ต้องหยุดชะงักไปกว่า 30 ปี เนื่องจากสภาวะการเตรียมที่ยากลำบากและใช้เวลานาน จนกระทั่งปี ค.ศ. 1970 มหาวิทยาลัยลียงซึ่งกำลังมองหาวัสดุที่มีรูพรุนสำหรับกักเก็บออกซิเจนและเชื้อเพลิงจรวด ได้กลับมาศึกษาแอโรเจลอีกครั้ง และปรับปรุงวิธีการของซามูเอล.

วิธีการใหม่แทนที่โซเดียมซิลิเกตด้วยเตตระเมทอกซีไซเลน (TMOS) และแทนที่เอทานอลด้วยฟอร์มาลดีไฮด์ การดัดแปลงนี้ทำให้ได้แอลโคเจลที่มีคุณภาพซิลิกาแอโรเจลสูงขึ้น และลดเวลาที่ใช้ในการเตรียมลงอย่างมาก การปรับปรุงนี้ถือเป็นก้าวสำคัญในวิทยาศาสตร์แอโรเจล.

หลังจากการปรับปรุงเหล่านี้ นักวิจัยจำนวนมากขึ้นได้เข้าร่วมในสาขาแอโรเจล.

ในปี ค.ศ. 1983 กลุ่มวัสดุโครงสร้างจุลภาคที่ Berkeley Lab ค้นพบว่าสารประกอบ TMOS ที่มีความเป็นพิษสูงสามารถแทนที่ด้วยเตตระเอทอกซีไซเลน (TEOS) ที่ปลอดภัยกว่า พวกเขายังค้นพบว่าก่อนการอบแห้งแบบวิกฤตยิ่งยวด คาร์บอนไดออกไซด์เหลวสามารถแทนที่แอลกอฮอล์ในเจลได้โดยไม่ทำลายแอโรเจล.

นี่ถือเป็นความก้าวหน้าด้านความปลอดภัยครั้งสำคัญ เนื่องจาก CO2 ไม่มีอันตรายจากการระเบิดเหมือนแอลกอฮอล์ เมื่อการวิจัยเกี่ยวกับแอโรเจลลึกซึ้งขึ้น นักฟิสิกส์ตระหนักว่าวัสดุระดับนาโนนี้สามารถใช้เก็บอนุภาครังสีเชเรนคอฟที่จับได้ยาก เนื่องจากอนุภาคเหล่านี้ยากที่จะผ่านโครงสร้างที่ซับซ้อนของแอโรเจล สุดท้ายจึงถูกกักไว้ภายใน.

นอกจากการเก็บอนุภาคแล้ว ซิลิกาแอโรเจลที่เตรียมโดยห้องปฏิบัติการขับเคลื่อนด้วยไอพ่นของ NASA ยังถูกส่งขึ้นสู่อวกาศและได้รับมอบหมายให้เก็บอนุภาคฝุ่นจากดาวหาง.

คาร์บอนไดออกไซด์เหลว

จากภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับคุณลักษณะของแอโรเจลและวิธีการเตรียมที่พัฒนาอย่างต่อเนื่องนี้ เห็นได้ชัดว่าแอโรเจลเป็นวัสดุที่โดดเด่น อย่างไรก็ตาม แม้จะมีข้อดีเหล่านี้ เหตุใดจึงยังไม่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในชีวิตประจำวัน

ประการแรก มีความท้าทายในการผลิต และแม้ว่าวิธีการเตรียมจะได้รับการปรับปรุงหลายครั้งแล้ว สภาวะวิกฤตยิ่งยวดที่สำคัญก็ยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญ.

ประการที่สอง การผลิตแอโรเจลในระดับอุตสาหกรรมเผชิญกับความท้าทายที่น่ากลัว นั่นคือ แอโรเจลเปราะบางมาก แม้จะมีความสามารถในการรับน้ำหนักได้ดี แต่ความต้านทานแรงดึงต่ำมาก ทำให้แตกหักได้ง่ายเมื่อออกแรงเพียงเล็กน้อย ดังนั้นจึงมักต้องใช้สารเติมแต่งเพิ่มเติม.

แอโรเจลผลิตขึ้นได้อย่างไร?

การผลิตแอโรเจลนั้น归结为การแทนที่ของเหลวในเจลเปียกด้วยก๊าซโดยไม่ทำให้โครงข่ายยุบตัว ในอดีตใช้การอบแห้งแบบวิกฤตยิ่งยวด ปัจจุบันการอบแห้งที่ความดันบรรยากาศและวัสดุฐานเส้นใยที่ยืดหยุ่นเปลี่ยนให้กลายเป็นผ้าห่มฉนวนอุตสาหกรรม.