Aerogeeli: Miten se luotiin

Aerogeeli: Johdanto ja ominaisuudet

Aerogeeliä pidetään maailman kevyimpänä kiinteänä materiaalina, joka koostuu 97-prosenttisesti ilmasta ja 3-prosenttisesti kiinteästä rakenteesta, ja sen tiheys on vain 1,5 kertaa suurempi kuin ilman. Äärimmäisen keveytensä lisäksi aerogeelillä on myös erinomaiset lämmöneristysominaisuudet, pääasiassa "Knudsen-ilmiön" ansiosta. Koska aerogeeli koostuu pääosin piidioksidista ja ilmasta, piidioksidin lämmönjohtavuus on kohtalainen ja ilman lämmönjohtavuus alhainen.

Lisäksi aerogeelissä on lukuisia nanomittakaavan huokosia, jotka estävät ilman diffuusiota materiaalin läpi ja heikentävät konvektiivista lämmönsiirtoa.

Korkean lämpötilankestävyytensä vuoksi aerogeeliä käytetään usein eristykseen esimerkiksi Mars-mönkijöissä.

Lisäksi aerogeelin vettähylkivä ominaisuus saavutetaan modifioimalla polaariset -OH-ryhmät ei-polaarisiksi -OR-ryhmiksi, jolloin saadaan hydrofobinen aerogeeli.

Vaikka se vaikuttaa modernin teknologian huipputuotteelta, aerogeelin kehitti ensimmäisen kerran 1930-luvulla kemisti Samuel Kistler.

Ensimmäisen aerogeelin syntymä

Geelin kaltaiset aineet ovat yleisiä, kuten kuluttamamme gelatiini, joka on kiinteän ja nestemäisen olomuodon yhdistelmä. Samuel Kistler ja hänen kollegansa Charles Learned löivät vetoa siitä, miksi gelatiini muuttuu geeliksi. Vaikka Charles uskoi sen johtuvan sen nestemäisestä luonteesta, Samuel väitti, että avain piili geelin sisällä olevan kiinteän rakenteen läsnä ollessa.

Todistaakseen väitteensä Samuel teki kokeita osoittaakseen jatkuvan kiinteän verkoston läsnäolon märässä geelissä. Tavoitteena oli poistaa neste geelistä säilyttäen samalla kiinteä rakenne, jotta voidaan todistaa, etteivät geeli ja sen nestesisältö olleet yhteydessä toisiinsa. Haasteena oli kuitenkin se, että nesteen haihduttaminen geelissä aiheuttaisi kiinteän rakenteen kutistumisen molekyylien ja geelin välisten vetovoimien vuoksi.

Tämän voittamiseksi Samuelin täytyi korvata geelin neste, ja ainoa sopiva vaihtoehto oli kaasu, koska geeli sisälsi jo sekä kiinteää että nestemäistä olomuotoa. Normaali kaasu ei kuitenkaan voinut korvata geelin nestettä. Samuel valitsi uudenlaisen lähestymistavan: kohdistamalla geeliin painetta ja lämmitystä hän sai nesteen ylittämään kriittisen pisteensä ja siitä tuli superkriittinen fluidi (ilman eroa nesteen ja kaasun välillä), mikä eliminoi molekyylien väliset vetovoimat.

Samuel valitsi raaka-aineeksi natriumsilikaatin, jota hydrolyysin edistämiseksi katalysoi suolahappo. Vesi ja etanoli toimivat liuottimina vaihdossa ja muuttivat sen alkogeeliksi. Alkogeeli asetettiin sitten korkeaan lämpötilaan ja paineeseen. Kun etanoli saavutti superkriittisen nestetilan, geeli paineistettiin. Paineen laskiessa etanolimolekyylejä vapautui kaasuna. Kun geeli oli poistettu lämmönlähteestä ja jäähdytetty, sen etanoli haihtui, jolloin jäljelle jäi kaasulla täytetty kiinteä rakenne – ensimmäinen aerogeeli.

Tämä tutkimus julkaistiin Nature-lehdessä vuonna 1931.

Parannuksia aerogeelin valmistusmenetelmässä

Epäilemättä uraauurtava Samuelin tutkimus pysähtyi yli 30 vuodeksi vaativien ja aikaa vievien valmistusolosuhteiden vuoksi. Vasta vuonna 1970, kun Lyonin yliopisto etsi huokoista materiaalia hapen ja rakettipolttoaineen varastointiin, aerogeelitutkimusta jatkettiin ja Samuelin menetelmää parannettiin.

Uudessa menetelmässä natriumsilikaatti korvattiin tetrametoksisilaanilla (TMOS) ja etanoli formaldehydillä. Tämä modifikaatio johti korkealaatuisista piidioksidiaerogeeleistä valmistettuihin alkogeeleihin ja lyhensi merkittävästi valmistusaikaa. Tämä parannus merkitsi merkittävää edistysaskelta aerogeelitieteessä.

Näiden parannusten jälkeen lisää tutkijoita aloitti aerogeelien kehittämisen.

Vuonna 1983 Berkeley Labin mikrorakennemateriaaliryhmä havaitsi, että erittäin myrkyllinen TMOS voitaisiin korvata turvallisemmalla tetraetoksisilaanilla (TEOS). He havaitsivat myös, että ennen superkriittistä kuivausta nestemäinen CO2 voi korvata geelin alkoholin vahingoittamatta aerogeeliä.

Tämä edusti merkittävää turvallisuusedistystä, koska hiilidioksidilla ei ole alkoholien räjähdysvaaraa. Aerogeelien perusteellisten tutkimusten aikana fyysikot ymmärsivät, että tätä nanomittakaavan materiaalia voitaisiin käyttää vaikeasti havaittavien Cherenkov-säteilyn hiukkasten keräämiseen, koska niillä on vaikeuksia kulkea aerogeelin monimutkaisen rakenteen läpi ja lopulta jäädä loukkuun siihen.

Hiukkasten keräämisen lisäksi NASA:n Jet Propulsion Laboratoryn tuottamia piidioksidiaerogeelejä laukaistiin avaruuteen komeettojen pölyhiukkasten keräämiseksi.

Tämän kattavan yleiskatsauksen perusteella aerogeelin ominaisuuksista ja jatkuvasti parannetuista valmistusmenetelmistä on selvää, että aerogeeli on erinomainen materiaali. Eduistaan huolimatta sitä ei kuitenkaan ole käytetty laajalti jokapäiväisessä elämässä.

Ensinnäkin tuotannossa on haasteita, ja vaikka valmistusmenetelmiä on parannettu useita kertoja, ylikriittiset olosuhteet ovat edelleen merkittävä este.

Toiseksi, aerogeelien teollinen tuotanto on valtavan haasteen edessä – aerogeeli on erittäin haurasta. Vaikka sillä on suuri kantavuus, sen vetolujuus on hyvin alhainen, minkä vuoksi se murtuu helposti pienellä voimalla. Siksi tarvitaan yleensä lisäaineita.

Merkitty Airgel