Aerogel: Kako je nastal

Aerogel: Uvod in lastnosti

Aerogel velja za najlažji trden material na svetu, sestavljen je iz 97 % zraka in 3 % trdne strukture, z gostoto le 1,5-krat večjo od gostote zraka. Aerogel ima poleg izredne lahkosti tudi odlične toplotnoizolacijske lastnosti, predvsem zaradi »Knudsenovega učinka«. Ker je aerogel večinoma sestavljen iz silicijevega dioksida in zraka, je toplotna prevodnost silicijevega dioksida zmerna, zrak pa ima nizko toplotno prevodnost.

Poleg tega ima aerogel številne nanometrske pore, ki ovirajo difuzijo zraka skozi material in poslabšajo konvektivni prenos toplote.

Zaradi odpornosti na visoke temperature se aerogel pogosto uporablja za izolacijo v okoljih, kot so roverji na Marsu.

Poleg tega je vodoodbojnost aerogela dosežena z modifikacijo, s pretvorbo polarnih -OH skupin v nepolarne -OR, kar povzroči hidrofobni aerogel.

Čeprav se zdi, da gre za vrhunski izdelek sodobne tehnologije, je aerogel v tridesetih letih 20. stoletja prvi razvil kemik Samuel Kistler.

Rojstvo prvega aerogela

Želataste snovi so običajne, kot je želatina, ki jo uživamo in je kombinacija trdnega in tekočega stanja. Samuel Kistler in njegov kolega Charles Learned sta stavila, zakaj želatina postane gel. Medtem ko je Charles verjel, da je to posledica njegove tekoče narave, je Samuel trdil, da je ključna prisotnost trdne strukture v gelu.

Da bi dokazal svoje stališče, je Samuel izvedel poskuse, da bi pokazal prisotnost neprekinjene trdne mreže v mokrem gelu. Cilj je bil odstraniti tekočino iz gela, hkrati pa ohraniti trdno strukturo, kar dokazuje, da gel in njegova tekoča vsebnost nista povezani. Vendar je bil izziv v tem, da bi preprosto izhlapevanje tekočine v gelu povzročilo krčenje trdne strukture zaradi privlačnih sil med molekulami, kar bi povzročilo sesedanje gela.

Da bi to premagal, je moral Samuel zamenjati tekočino v gelu in edina primerna možnost je bil plin, saj je gel že vseboval trdno in tekoče stanje. Vendar običajni plin ni mogel nadomestiti tekočine v gelu. Samuel je uporabil nov pristop: s pritiskom in segrevanjem gela je povzročil, da je tekočina presegla svojo kritično točko in postala superkritična tekočina (brez razlike med tekočino in plinom), s čimer je odpravil medmolekularne privlačnosti.

Samuel je kot surovino izbral natrijev silikat, ki ga katalizira klorovodikova kislina za pomoč pri hidrolizi. Voda in etanol sta služila kot topila v zamenjavi, ki sta ga spremenila v alkoholni gel. Alkogel je bil nato postavljen v okolje z visoko temperaturo in visokim pritiskom. Ko je etanol dosegel superkritično tekoče stanje, je bil gel pod tlakom. Ko se je tlak zmanjšal, so se molekule etanola sprostile kot plin. Po odstranitvi iz vira toplote in ohlajanju je etanol v gelu izhlapel, tako da je ostala trdna struktura napolnjena s plinom – prvi aerogel.

Ta raziskava je bila objavljena v reviji Nature leta 1931.

Izboljšave metode izdelave aerogelov

Nedvomno prelomna Samuelova raziskava je več kot 30 let mirovala zaradi zahtevnih in dolgotrajnih proizvodnih pogojev. Šele leta 1970, ko je Univerza v Lyonu iskala porozen material za shranjevanje kisika in raketnega goriva, so se raziskave aerogelov nadaljevale in Samuelova metoda je bila izboljšana.

Nova metoda je nadomestila natrijev silikat s tetrametoksisilanom (TMOS) in etanol s formaldehidom. Ta sprememba je povzročila alkogele, izdelane iz visokokakovostnih aerogelov silicijevega dioksida, in znatno zmanjšala čas, potreben za izdelavo. Ta izboljšava je pomenila pomemben napredek v znanosti o aerogelih.

Po teh izboljšavah je na področje aerogelov vstopilo več raziskovalcev.

Leta 1983 je skupina za mikrostrukturne materiale v laboratoriju Berkeley odkrila, da bi lahko zelo strupeni TMOS nadomestili z varnejšim tetraetoksisilanom (TEOS). Odkrili so tudi, da lahko pred superkritičnim sušenjem tekoči CO2 nadomesti alkohol v gelu, ne da bi poškodoval aerogel.

To je predstavljalo pomemben varnostni napredek, saj CO2 nima eksplozivne nevarnosti kot alkoholi. S poglobljenimi študijami aerogelov so fiziki ugotovili, da bi lahko ta nanometrski material uporabili za zbiranje delcev čerenkovskega sevanja, ki jih je težko zaznati, ker le s težavo prehajajo skozi kompleksno strukturo aerogela in se na koncu ujamejo v njem.

Poleg zbiranja delcev so bili v vesolje izstreljeni aerogeli silicijevega dioksida, ki jih je izdelal Nasin laboratorij za reaktivni pogon, da bi zbirali delce kometnega prahu.

Glede na ta obsežen pregled lastnosti aerogela in nenehno izboljševanje proizvodnih metod je jasno, da je aerogel izjemen material. Vendar kljub svojim prednostim ni bil široko sprejet v vsakdanjem življenju.

Prvič, obstajajo izzivi v proizvodnji, in čeprav so se proizvodne metode večkrat izboljšale, superkritični pogoji še vedno predstavljajo veliko oviro.

Drugič, industrijska proizvodnja aerogelov se sooča z ogromnim izzivom – aerogel je zelo krhek. Čeprav ima visoko nosilnost, je njegova natezna trdnost zelo nizka, zaradi česar se zlahka zlomi pod nizko silo. Zato so običajno potrebni dodatni dodatki.

Označeno Aerogel