Quảng Châu, Quảng Đông, Trung Quốc.

[email protected]

+86 13539860818

Biểu ngữ cơ sở sản xuất aerogel của Công nghệ Quảng Châu Anchor

Aerogel: Hành Trình Ra Đời

Aerogel: Giới Thiệu và Đặc Điểm

Aerogel được biết đến là vật liệu rắn nhẹ nhất thế giới, chứa 97% không khí và 3% cấu trúc rắn, với mật độ chỉ gấp 1,5 lần không khí. Ngoài việc cực kỳ nhẹ, aerogel còn sở hữu khả năng cách nhiệt tuyệt vời, chủ yếu nhờ vào “hiệu ứng Knudsen.” Vì aerogel chủ yếu được cấu tạo từ silica và không khí, trong đó độ dẫn nhiệt của silica ở mức trung bình, còn không khí có độ dẫn nhiệt thấp.

vật liệu rắn nhẹ nhất thế giới
vô số lỗ rỗng kích thước nano

Ngoài ra, aerogel có vô số lỗ rỗng kích thước nano, cản trở sự khuếch tán của không khí qua vật liệu, từ đó ngăn cản sự truyền nhiệt đối lưu.

xe tự hành sao Hỏa

Nhờ khả năng chịu nhiệt độ cao, aerogel thường được sử dụng trong các môi trường như xe tự hành sao Hỏa để cách nhiệt.

Hơn nữa, tính chống thấm nước của aerogel đạt được thông qua quá trình biến tính, chuyển các nhóm -OH phân cực thành các nhóm -OR không phân cực, tạo ra aerogel kỵ nước.

Aerogel kỵ nước
Samuel Kistler, người phát minh ra aerogel

Dù có vẻ là sản phẩm tiên tiến của công nghệ hiện đại, aerogel thực chất được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1930 bởi nhà hóa học Samuel Kistler.

Sự Ra Đời của Aerogel Đầu Tiên

Các chất giống gel rất phổ biến, chẳng hạn như gelatin chúng ta tiêu thụ, là sự kết hợp giữa trạng thái rắn và lỏng. Samuel Kistler và đồng nghiệp Charles Learned đã đặt cược về lý do khiến gelatin tạo thành gel. Trong khi Charles tin rằng đó là do bản chất lỏng của nó, Samuel lại lập luận rằng chìa khóa nằm ở sự hiện diện của cấu trúc rắn bên trong gel.

Để chứng minh quan điểm của mình, Samuel đã tiến hành các thí nghiệm nhằm chỉ ra sự tồn tại của một mạng lưới rắn liên tục trong gel ướt. Mục tiêu là loại bỏ chất lỏng khỏi gel trong khi vẫn giữ nguyên cấu trúc rắn, chứng minh rằng gel và thành phần lỏng của nó không liên quan đến nhau. Tuy nhiên, thách thức là việc chỉ đơn giản để chất lỏng trong gel bay hơi sẽ khiến cấu trúc rắn co lại do lực hút giữa các phân tử, dẫn đến sự sụp đổ của gel.

Samuel Kistler

Để vượt qua điều này, Samuel phải thay thế chất lỏng trong gel, và lựa chọn phù hợp duy nhất là khí, vì gel đã chứa cả trạng thái rắn và lỏng. Tuy nhiên, khí thông thường không thể thay thế chất lỏng trong gel. Samuel đã sử dụng một phương pháp mới: bằng cách tăng áp suất và nhiệt độ của gel, ông khiến chất lỏng vượt qua điểm tới hạn của nó, biến nó thành chất lỏng siêu tới hạn (không có sự phân biệt giữa lỏng và khí), loại bỏ lực hút giữa các phân tử.

Samuel chọn natri silicat làm nguyên liệu thô, được xúc tác bởi axit clohydric để thúc đẩy quá trình thủy phân. Nước và etanol được sử dụng làm dung môi trong quá trình trao đổi, biến nó thành alcogel. Alcogel sau đó được đặt trong môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao. Khi etanol đạt trạng thái chất lỏng siêu tới hạn, gel được giảm áp suất. Với áp suất giảm dần, các phân tử etanol được giải phóng dưới dạng khí. Sau khi lấy ra khỏi nguồn nhiệt và làm nguội, etanol trong gel bay hơi, để lại cấu trúc rắn chứa đầy khí – aerogel đầu tiên.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature vào năm 1931.

Cải tiến phương pháp điều chế Aerogel

Aerogel silica

Không thể phủ nhận tính đột phá, nghiên cứu của Samuel đã gặp phải sự trì trệ trong hơn 30 năm do điều kiện điều chế khó khăn và tốn thời gian. Mãi đến năm 1970, Đại học Lyon, khi tìm kiếm vật liệu xốp để lưu trữ oxy và nhiên liệu tên lửa, mới xem xét lại aerogel, cải tiến phương pháp của Samuel.

Phương pháp mới thay thế natri silicat bằng tetramethoxysilane (TMOS) và etanol bằng formaldehyde. Sự thay đổi này tạo ra alcogel chất lượng cao hơn cho aerogel silica và giảm đáng kể thời gian cần thiết để điều chế. Cải tiến này đánh dấu một bước tiến quan trọng trong khoa học aerogel.

Sau những cải tiến này, nhiều nhà nghiên cứu hơn đã tham gia vào lĩnh vực aerogel.

Năm 1983, Nhóm Vật liệu Vi cấu trúc tại Phòng thí nghiệm Berkeley phát hiện ra rằng hợp chất TMOS có độc tính cao có thể được thay thế bằng tetraethoxysilane (TEOS) an toàn hơn. Họ cũng phát hiện ra rằng, trước khi sấy siêu tới hạn, CO2 lỏng có thể thay thế cồn trong gel mà không làm hỏng aerogel.

Điều này đại diện cho một tiến bộ an toàn lớn, vì CO2 không có nguy cơ nổ như cồn. Khi nghiên cứu về aerogel ngày càng sâu hơn, các nhà vật lý nhận ra rằng vật liệu kích thước nano này có thể được sử dụng để thu thập các hạt bức xạ Cherenkov khó bắt giữ, vì chúng khó đi qua cấu trúc phức tạp của aerogel, cuối cùng bị mắc kẹt bên trong.

Ngoài việc thu thập hạt, aerogel silica được điều chế bởi Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA đã được gửi vào không gian và giao nhiệm vụ thu thập các hạt bụi sao chổi.

Carbon dioxide lỏng

Dựa trên tổng quan toàn diện về các đặc tính của aerogel và các phương pháp điều chế ngày càng được cải tiến, rõ ràng aerogel là một vật liệu xuất sắc. Tuy nhiên, dù có những ưu điểm vượt trội, tại sao nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày?

Thứ nhất, có những thách thức trong sản xuất, và mặc dù các phương pháp điều chế đã được cải tiến nhiều lần, các điều kiện siêu tới hạn quan trọng vẫn tạo ra một rào cản lớn.

Thứ hai, sản xuất công nghiệp aerogel đối mặt với một thách thức đáng gờm – aerogel rất giòn. Mặc dù nó có khả năng chịu lực mạnh, độ bền kéo của nó rất thấp, khiến nó dễ bị gãy khi chịu lực nhẹ. Do đó, thường cần thêm các chất phụ gia.

Sản phẩm aerogel liên quan

Yêu cầu báo giá cho các sản phẩm này

Aerogel được sản xuất như thế nào?

Cách aerogel được sản xuất là thay thế chất lỏng trong gel ướt bằng khí mà không làm sụp đổ cấu trúc mạng. Trước đây, phương pháp này sử dụng sấy siêu tới hạn; ngày nay, sấy ở áp suất thường và chất nền sợi linh hoạt đã biến nó thành tấm chăn cách nhiệt công nghiệp.