Aerogel: Hur det kom till

Aerogel: Introduktion och egenskaper

Aerogel anses vara det lättaste fasta materialet i världen, bestående av 97 % luft och 3 % fast struktur, med en densitet som bara är 1,5 gånger högre än luftens. Förutom sin extrema lätthet har aerogel också utmärkta värmeisoleringsegenskaper, främst på grund av "Knudsen-effekten". Eftersom aerogel mestadels består av kiseldioxid och luft, är kiseldioxidens värmeledningsförmåga måttlig och luften har låg värmeledningsförmåga.

Dessutom har aerogel flera porer i nanoskala som hindrar diffusionen av luft genom materialet och försämrar konvektiv värmeöverföring.

På grund av dess höga temperaturbeständighet används aerogel ofta för isolering i miljöer som Mars-rovers.

Dessutom uppnås den vattenavvisande egenskapen hos aerogel genom modifiering, omvandling av polära -OH-grupper till opolära -OR, vilket resulterar i en hydrofob aerogel.

Även om det kan verka som en banbrytande produkt av modern teknik, utvecklades aerogel först på 1930-talet av kemisten Samuel Kistler.

Födelsen av den första aerogelen

Gelliknande ämnen är vanliga, till exempel gelatinet vi konsumerar, som är en kombination av fast och flytande tillstånd. Samuel Kistler och hans kollega Charles Learned gjorde en satsning om anledningen till att gelatin blir en gel. Medan Charles trodde att det berodde på dess flytande natur, hävdade Samuel att nyckeln var närvaron av en fast struktur i gelén.

För att bevisa sin poäng genomförde Samuel experiment för att visa närvaron av ett kontinuerligt fast nätverk i den våta gelén. Syftet var att ta bort vätskan från gelén samtidigt som den fasta strukturen bevaras, vilket bevisade att gelen och dess vätskeinnehåll inte var kopplade. Utmaningen var dock att helt enkelt förångning av vätskan i gelén skulle få den fasta strukturen att krympa på grund av attraktionskrafterna mellan molekylerna, vilket gör att gelén kollapsade.

För att övervinna detta behövde Samuel ersätta vätskan i gelén, och det enda lämpliga alternativet var gas eftersom gelén redan innehöll både fast och flytande tillstånd. Normal gas kunde dock inte ersätta vätskan i gelén. Samuel tog ett nytt tillvägagångssätt: genom att trycksätta och värma gelén fick han vätskan att överskrida sin kritiska punkt och bli en superkritisk vätska (utan skillnad mellan vätska och gas), vilket eliminerade de intermolekylära attraktionerna.

Samuel valde natriumsilikat som råvara, katalyserad av saltsyra för att underlätta hydrolysen. Vatten och etanol tjänade som lösningsmedel i utbyte och gjorde det till en alkogel. Alkogelen placerades sedan i en miljö med hög temperatur och högt tryck. När etanol nådde det superkritiska vätsketillståndet togs gelén av trycket. När trycket minskade frigjordes etanolmolekyler som en gas. Efter att ha avlägsnats från värmekällan och kylts avdunstades etanolen i gelén, vilket lämnade den fasta strukturen fylld med gas - den första aerogelen.

Denna forskning publicerades i tidskriften Nature 1931.

Förbättringar av aerogeltillverkningsmetoden

Utan tvekan banbrytande, Samuels forskning stod stilla i över 30 år på grund av krävande och tidskrävande tillverkningsförhållanden. Det var inte förrän 1970, när universitetet i Lyon letade efter ett poröst material för att lagra syre och raketbränsle, som aerogelforskningen återupptogs och Samuels metod förbättrades.

Den nya metoden ersatte natriumsilikat med tetrametoxisilan (TMOS) och etanol med formaldehyd. Denna modifiering resulterade i alkogeler gjorda av högkvalitativa kiseldioxidaerogeler och reducerade avsevärt tiden som krävs för tillverkning. Denna förbättring markerade ett betydande framsteg inom aerogelvetenskap.

Efter dessa förbättringar kom fler forskare in på aerogelområdet.

1983 upptäckte Microstructure Materials Group vid Berkeley Lab att den mycket giftiga TMOS kunde ersättas med den säkrare tetraetoxisilanen (TEOS). De upptäckte också att före superkritisk torkning kunde flytande CO2 ersätta alkoholen i gelén utan att skada aerogelen.

Detta representerade ett betydande säkerhetsframsteg eftersom CO2 inte har den explosiva faran av alkoholer. Genom djupare studier av aerogeler insåg fysiker att detta material i nanoskala kunde användas för att samla in svårupptäckta Cherenkov-strålningspartiklar eftersom de har svårt att passera genom aerogelens komplexa struktur och slutligen fastna i den.

Förutom partikelinsamling lanserades kiseldioxidaerogeler tillverkade av NASA:s Jet Propulsion Laboratory ut i rymden för att samla kometdammpartiklar.

Med tanke på denna omfattande översikt av aerogelegenskaper och ständigt förbättrade tillverkningsmetoder är det tydligt att aerogel är ett enastående material. Men trots dess fördelar har det inte blivit allmänt använt i det dagliga livet.

För det första finns det utmaningar i produktionen, och även om tillverkningsmetoderna har förbättrats flera gånger, utgör superkritiska förhållanden fortfarande ett betydande hinder.

För det andra står den industriella produktionen av aerogeler inför en enorm utmaning - aerogel är mycket skör. Även om den har en hög belastningskapacitet är dess draghållfasthet mycket låg, vilket gör den lätt att bryta under låg kraft. Därför krävs vanligtvis ytterligare tillsatser.

Taggad Aerogel