Aerogel: Jak powstał

Aerożel: Wprowadzenie i właściwości

Aerożel uważany jest za najlżejszy stały materiał na świecie, składający się w 97% z powietrza i w 3% ze stałej struktury, przy czym jego gęstość jest tylko 1,5 razy większa od gęstości powietrza. Oprócz wyjątkowej lekkości aerożel charakteryzuje się również doskonałymi właściwościami termoizolacyjnymi, głównie dzięki tzw. efektowi Knudsena. Ponieważ aerożel składa się głównie z krzemionki i powietrza, przy czym krzemionka ma umiarkowaną przewodność cieplną, a powietrze niską.

Ponadto aerożel zawiera liczne pory w skali nano, które utrudniają dyfuzję powietrza przez materiał i osłabiają konwekcyjny transfer ciepła.

Ze względu na swoją odporność na wysoką temperaturę aerożel jest często stosowany do izolacji w środowiskach takich jak łaziki marsjańskie.

Co więcej, właściwości hydrofobowe aerożelu uzyskuje się poprzez modyfikację polegającą na przekształceniu polarnych grup -OH w niepolarne -OR, co skutkuje powstaniem hydrofobowego aerożelu.

Choć aerożel sprawia wrażenie nowatorskiego produktu współczesnej technologii, został opracowany po raz pierwszy w latach 30. XX wieku przez chemika Samuela Kistlera.

Narodziny pierwszego aerożelu

Powszechne są substancje żelowe, takie jak spożywana przez nas żelatyna, która jest połączeniem stanu stałego i ciekłego. Samuel Kistler i jego kolega Charles Learned założyli się o przyczynę, dla której żelatyna zamienia się w żel. Chociaż Charles uważał, że przyczyną jest płynna natura żelu, Samuel twierdził, że kluczem jest obecność stałej struktury wewnątrz żelu.

Aby udowodnić swoją tezę, Samuel przeprowadził eksperymenty mające na celu wykazanie obecności ciągłej, stałej sieci w wilgotnym żelu. Celem było usunięcie cieczy z żelu przy jednoczesnym zachowaniu jego stałej struktury, aby udowodnić, że żel i zawarta w nim ciecz nie są połączone. Wyzwaniem było jednak to, że samo odparowanie cieczy z żelu powodowało kurczenie się stałej struktury na skutek działania sił przyciągania między cząsteczkami i zapadanie się żelu.

Aby temu zaradzić, Samuel musiał zastąpić płyn w żelu i jedyną odpowiednią opcją był gaz, ponieważ żel zawierał już zarówno stan stały, jak i ciekły. Jednakże normalny gaz nie mógł zastąpić cieczy w żelu. Samuel zastosował nowatorskie podejście: poprzez zastosowanie ciśnienia i podgrzania żelu spowodował, że ciecz przekroczyła swój punkt krytyczny i stała się płynem nadkrytycznym (bez rozróżnienia na ciecz i gaz), eliminując w ten sposób międzycząsteczkowe siły przyciągania.

Samuel wybrał krzemian sodu jako surowiec, katalizowany kwasem solnym w celu wspomożenia hydrolizy. Woda i etanol pełniły rolę rozpuszczalników podczas wymiany i przekształcały ją w alkożel. Następnie alkożel umieszczono w środowisku o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Gdy etanol osiągnął stan nadkrytyczny, żel został zdekompresowany. Gdy ciśnienie spadło, cząsteczki etanolu uwolniły się w postaci gazu. Po odłączeniu żelu od źródła ciepła i schłodzeniu, etanol w żelu odparował, pozostawiając stałą strukturę wypełnioną gazem – pierwszy aerożel.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature w 1931 roku.

Udoskonalenia w metodzie wytwarzania aerożelu

Niewątpliwie przełomowe badania Samuela zostały wstrzymane na ponad 30 lat ze względu na wymagające i czasochłonne warunki produkcji. Dopiero w 1970 r., gdy Uniwersytet w Lyonie poszukiwał porowatego materiału nadającego się do magazynowania tlenu i paliwa rakietowego, wznowiono badania nad aerożelem i udoskonalono metodę Samuela.

W nowej metodzie krzemian sodu zastąpiono tetrametoksysilanem (TMOS), a etanol formaldehydem. Modyfikacja ta pozwoliła na uzyskanie alkożeli z wysokiej jakości aerożeli krzemionkowych i znacznie skróciła czas potrzebny do ich przygotowania. To udoskonalenie oznaczało znaczący postęp w nauce o aerożelu.

Po wprowadzeniu tych udoskonaleń więcej naukowców zajęło się dziedziną aerożeli.

W 1983 roku grupa zajmująca się materiałami mikrostrukturalnymi w Berkeley Lab odkryła, że wysoce toksyczny TMOS można zastąpić bezpieczniejszym tetraetoksysilanem (TEOS). Odkryli również, że przed suszeniem nadkrytycznym ciekły CO2 może zastąpić alkohol w żelu, nie uszkadzając aerożelu.

Oznaczało to znaczny postęp w zakresie bezpieczeństwa, ponieważ CO2 nie stwarza zagrożenia wybuchem w porównaniu z alkoholem. Podczas dogłębnych badań aerożeli fizycy zdali sobie sprawę, że ten materiał nanometryczny można wykorzystać do zbierania trudnych do wykrycia cząstek promieniowania Czerenkowa, gdyż mają one trudności z przedostaniem się przez złożoną strukturę aerożelu i ostatecznie zostają w nim uwięzione.

Oprócz zbierania cząstek, w przestrzeń kosmiczną wysyłano aerożele krzemionkowe produkowane przez Jet Propulsion Laboratory należące do NASA w celu zbierania cząstek pyłu kometarnego.

Biorąc pod uwagę kompleksowy przegląd właściwości aerożelu oraz stale udoskonalane metody produkcji, jasne jest, że aerożel jest znakomitym materiałem. Jednak mimo swoich zalet, nie znalazła ona szerokiego zastosowania w życiu codziennym.

Po pierwsze, występują problemy związane z produkcją i chociaż metody produkcji zostały udoskonalone kilkakrotnie, warunki nadkrytyczne nadal stanowią istotną przeszkodę.

Po drugie, przemysłowa produkcja aerożeli stoi w obliczu ogromnego wyzwania – aerożel jest bardzo kruchy. Mimo że materiał ten ma dużą nośność, jego wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo niska, co sprawia, że może on łatwo pęknąć nawet przy zastosowaniu niewielkiej siły. Dlatego zazwyczaj konieczne jest zastosowanie dodatkowych dodatków.

Oznaczono Aerożel