Aerogel: Wie es entstanden ist
Aerogel: Einführung und Eigenschaften
Aerogel gilt als das leichteste feste Material der Welt, bestehend aus 97 % Luft und 3 % fester Struktur, mit einer Dichte nur 1,5-mal höher als die von Luft. Abgesehen von seiner extremen Leichtigkeit besitzt Aerogel auch hervorragende thermische Isolationseigenschaften, hauptsächlich aufgrund des „Knudsen-Effekts“. Da Aerogel größtenteils aus Silika und Luft besteht, wobei die Wärmeleitfähigkeit von Silika moderat ist und Luft eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Darüber hinaus verfügt Aerogel über zahlreiche nanoskalige Poren, die die Diffusion von Luft durch das Material behindern und den konvektiven Wärmetransfer beeinträchtigen.
Aufgrund seiner Hochtemperaturbeständigkeit wird Aerogel häufig in Umgebungen wie Mars-Rovern zur Isolierung verwendet.
Darüber hinaus wird die wasserabweisende Eigenschaft von Aerogel durch Modifikation erreicht, wobei polare -OH-Gruppen in nichtpolare -OR umgewandelt werden, was zu einem hydrophoben Aerogel führt.
Obwohl es wie ein hochmodernes Produkt der modernen Technologie erscheint, wurde Aerogel erstmals in den 1930er Jahren vom Chemiker Samuel Kistler entwickelt.
Die Geburt des ersten Aerogels
Gelartige Substanzen sind üblich, wie das von uns konsumierte Gelatine, das eine Kombination aus festem und flüssigem Zustand ist. Samuel Kistler und sein Kollege Charles Learned schlossen eine Wette über den Grund ab, warum Gelatine zu einem Gel wird. Während Charles glaubte, dass es aufgrund seiner flüssigen Natur war, argumentierte Samuel, dass der Schlüssel im Vorhandensein einer festen Struktur im Gel lag.
Um seinen Standpunkt zu beweisen, führte Samuel Experimente durch, um das Vorhandensein eines kontinuierlichen festen Netzwerks im nassen Gel zu zeigen. Ziel war es, die Flüssigkeit aus dem Gel zu entfernen und gleichzeitig die feste Struktur zu erhalten, um zu beweisen, dass Gel und sein Flüssigkeitsgehalt nicht miteinander verbunden waren. Die Herausforderung bestand jedoch darin, dass das einfache Verdampfen der Flüssigkeit im Gel dazu führen würde, dass die feste Struktur aufgrund der anziehenden Kräfte zwischen den Molekülen schrumpft und das Gel zusammenbricht.
Um dies zu überwinden, musste Samuel die Flüssigkeit im Gel ersetzen, und die einzige geeignete Option war Gas, da das Gel bereits sowohl feste als auch flüssige Zustände enthielt. Normales Gas konnte jedoch die Flüssigkeit im Gel nicht ersetzen. Samuel wählte einen neuartigen Ansatz: Durch Druck und Erhitzen des Gels sorgte er dafür, dass die Flüssigkeit ihren kritischen Punkt überschreitet und zu einem superkritischen Fluid wird (ohne Unterscheidung zwischen Flüssigkeit und Gas), wodurch die intermolekularen Anziehungskräfte beseitigt wurden.
Samuel wählte Natriumsilikat als Rohmaterial, katalysiert durch Salzsäure zur Unterstützung der Hydrolyse. Wasser und Ethanol dienten als Lösungsmittel im Austausch und verwandelten es in ein Alkogel. Der Alkogel wurde dann in eine Umgebung mit hoher Temperatur und hohem Druck gebracht. Als Ethanol den superkritischen Fluidzustand erreichte, wurde das Gel depressurisiert. Mit abnehmendem Druck wurden Ethanolmoleküle als Gas freigesetzt. Nachdem es von der Wärmequelle entfernt und abgekühlt wurde, verdampfte das Ethanol im Gel und hinterließ die feste Struktur, die mit Gas gefüllt war – das erste Aerogel.
Diese Forschung wurde 1931 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Verbesserungen der Aerogel-Herstellungsmethode
Zweifellos bahnbrechend stand Samuel’s Forschung über 30 Jahre lang aufgrund anspruchsvoller und zeitaufwändiger Herstellungsbedingungen still. Erst 1970, als die Universität Lyon nach einem porösen Material zur Speicherung von Sauerstoff und Raketenkraftstoff suchte, wurde die Aerogel-Forschung wieder aufgenommen und Samuels Methode verbessert.
Die neue Methode ersetzte Natriumsilikat durch Tetramethoxysilan (TMOS) und Ethanol durch Formaldehyd. Diese Modifikation führte zu Alkogelen aus qualitativ hochwertigen Silika-Aerogelen und reduzierte signifikant die benötigte Zeit für die Herstellung. Diese Verbesserung markierte einen bedeutenden Fortschritt in der Aerogel-Wissenschaft.
Nach diesen Verbesserungen traten mehr Forscher in das Gebiet der Aerogele ein.
1983 entdeckte die Microstructure Materials Group am Berkeley Lab, dass das stark giftige TMOS durch das sicherere Tetraethoxysilan (TEOS) ersetzt werden konnte. Sie entdeckten auch, dass vor der überkritischen Trocknung flüssiges CO2 den Alkohol im Gel ohne Beschädigung des Aerogels ersetzen konnte.
Dies stellte einen bedeutenden Sicherheitsfortschritt dar, da CO2 nicht die explosive Gefahr von Alkoholen hat. Bei vertieften Untersuchungen zu Aerogelen erkannten Physiker, dass dieses nanoskalige Material zur Sammlung schwer zu erfassender Cherenkov-Strahlungsteilchen verwendet werden konnte, da sie Schwierigkeiten haben, durch die komplexe Struktur des Aerogels zu gelangen und letztendlich darin gefangen zu werden.
Neben der Partikelsammlung wurden von der NASA’s Jet Propulsion Laboratory hergestellte Silika-Aerogele ins All geschossen und sollten dort Kometenstaubpartikel sammeln.
