Mitä Aerogel on? Teoria, ominaisuudet ja sovellukset

, G. P. ThomasAug 22 2012

”Aerogel” on laaja termi, jota käytetään puhumaan poikkeuksellisesta ryhmästä materiaaleja, joita on käytetty 1960-luvulta lähtien avaruusmatkailussa, mutta jotka ovat nyt löytäneet käyttötarkoituksia monilla eri teollisuudenaloilla. ”Aerogel” ei ole tietty mineraali tai materiaali, jolla on tietty kemiallinen kaava-pikemminkin termiä käytetään kattamaan kaikki materiaalit, joilla on tietty geometrinen rakenne. Tämä rakenne on erittäin huokoinen, kiinteä vaahto, jolla on suuri liitettävyys haaroittuneiden rakenteiden välillä muutaman nanometrin läpimitta.

vaikka aerogel on teknisesti vaahto, se voi saada monia eri muotoja ja muotoja. Suurin osa aerogeelistä koostuu piidioksidista, mutta myös hiili, rautaoksidi, orgaaniset polymeerit, puolijohteiden nanorakenteet, kulta ja kupari voivat muodostaa aerogeeliä. Aerogeelin rakenteessa on kuitenkin hyvin vähän kiinteää materiaalia, jopa 99,8% rakenteesta koostuu pelkästä ilmasta. Tämä ainutlaatuinen koostumus antaa aerogelille lähes aavemaisen ulkonäön; siksi sitä kutsutaan usein ”jäätyneeksi savuksi”.

vaikka tämä näyttää hologrammilta, tämä on valokuva aerogeelistä, joka tuntuu kosketuksessa Styroksilta. Kuvan lopputekstit: NASA

Aerogelin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

aerogelin tunnetuimpia ja hyödyllisimpiä fysikaalisia ominaisuuksia on sen uskomaton keveys-sen tiheys on tyypillisesti välillä 0,0011 – 0,5 g cm-3, tyypillisen keskiarvon ollessa noin 0.020 g cm-3. Tämä tarkoittaa sitä, että aerogeeli on yleensä vain 15 kertaa ilmaa raskaampaa, ja sitä on valmistettu vain 3-kertaisella tiheydellä ilmaan verrattuna. Se on niin kevyt, että jos Michelangelon David olisi rakennettu aerogelista, se painaisi suunnilleen saman verran kuin sokeripussi! Monien vuosien ajan aerogel oli Guinnessin ennätysten kirjassa ’kiinteänä, jolla on alhaisin tiheys’, ennen kuin se syrjäytettiin äskettäin metallisella mikrolattialla ja sitten aerografiitilla.

tämä ei kuitenkaan tee aerogelista tarpeetonta, sillä sillä on nimissään vielä 14 maailmanennätystä, muun muassa ”paras eriste”. Alla on lueteltu muita aerogelin toivottavia ominaisuuksia, joista osa on myös ihmisen parhaiten tuntemia.

• alhainen keskimääräinen vapaa diffuusiotie
• suuri ominaispinta-ala (ei-jauhemaiselle materiaalille)
• alhainen lämmönjohtavuus
• Alhainen äänennopeus
• Alhainen taitekerroin
• Alhainen dielektrisyysvakio

aerogeelin erittäin alhainen lämmönjohtavuus on tässä mestarillisesti osoitettu, sillä nämä vahaväriliitut istuvat suojaavan aerogeelin ansiosta suoraan voimakkaan liekin yläpuolella sulamatta. Kuvat: NASA

miten Aerogel on luotu?

yleisesti ottaen aerogeeliä syntyy kuivaamalla geeliä korkeassa lämpötilassa. Ensin geeli luodaan liuoksessa, ja sitten nestekomponentti poistetaan ylikriittisellä kuivauksella, joka poistaa nesteen hitaasti rakenteellisen muodon säilyttämiseksi. Tämä nestemäinen komponentti korvataan sitten ilmalla. Aerogelin loi vuonna 1931 Samuel Stephens Kistler, ja hiiliaerogelit otettiin käyttöön ensimmäisen kerran 1980-luvulla.

Aerogel: kevyin Elektroniikkakilpi maapallolla

Aerogelin Sovellukset

koska aerogelilla on niin erilaisia kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia, ei ole yllätys, että sillä on myös monenlaisia sovelluksia. 1960-luvulta lähtien aerogelia on käytetty eristeenä Nasan astronauttien avaruuspuvuissa, koska se on vahvasta ulkonäöstään huolimatta erittäin vahva ja selviää lentoonlähtöolosuhteista helposti.

2000 – luvun alussa aerogel oli NASAn palveluksessa hyvin erityisessä tehtävässä-avaruuspölyn vangitsemisessa. Aerogelia käytetään yhdessä ”Stardust” – tehtävän kanssa, jonka tarkoituksena on tuoda ensimmäistä kertaa avaruuteen hiukkasia Kuun takaa. Tätä pölyä kerätään pääasiassa komeetta ”Wild 2: sta”. Aerogelia käytetään tämän komeetan pölyn vangitsemiseen, sillä se pystyy vangitsemaan pienet hiukkaset muuttamatta niitä fyysisesti. Kun hiukkanen osuu aerogeeliin, se kulkee jopa 6 kertaa kiväärin luodin nopeudella, mikä tarkoittaa, että useimmat aineet eivät pystyisi hidastamaan pölyä ilman kuumentamista ja siten muuttumista. Aerogelin avulla pöly kuitenkin hautautuu huokoiseen materiaaliin ja pysähtyy vähitellen, kun se menettää vauhtiaan.

Lue lisää siitä, miten aerogeeliä on käytetty yhdessä grafeenin kanssa aurinkosähkösovelluksissa

Aerogeelistä on tulossa pakollinen materiaali eristysteollisuudessa ja sitä on käytetty useiden vuosien ajan onteloruiskutetuissa seinäeristeissä ja eristyslevyissä. Viime aikoina aerogel – pohjainen kipsi on käytetty eristää historiallisia rakennuksia Sveitsissä. EMPA (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) labs on työskennellyt valmistavan Fixit AG: n kanssa kehittääkseen aerogeliin perustuvan renderöinnin (eristemateriaalin), jonka he uskovat tuottavan kaksi kertaa enemmän eristystä kuin normaalit renderit. Aerogelin käyttö tällä tavoin on erittäin energiatehokasta ja ympäristöystävällistä, sillä se vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä lämmityksessä valtavasti.

äskettäin ilmoitetut parannukset aerogelien hauraudessa ja haurastumisessa merkitsevät sitä, että tulevaisuudessa voidaan avata kokonaan uusi käyttökohteiden maailma vaatteista lämmönkestävyyteen.

älä tuomitse kirjaa sen kannen perusteella: vaikka tämä pieni aerogeelin pala on uskomattoman kevyt ja aavemainen ulkonäöltään, se voi helposti tukea tavallista talon tiiltä. Kuvan Lopputekstit: NASA

References and Further Reading

• NASA Jet Propulsion Laboratory
• EMPA
• www.aerogel.org
• Space technology for old buildings, EMPA, 20 August 2012
• ”Solid smoke” material aerogel gets added strength, BBC News, 20 August 2012

kirjoittanut

G. P. Thomas

Gary valmistui Manchesterin yliopistosta ensimmäisen luokan kunniamerkillä pääaineenaan geokemia ja maisteriksi Maatieteissä. Työskenneltyään Australian kaivosteollisuudessa Gary päätti ripustaa geologian saappaansa naulaan ja kääntää kätensä kirjoittamiseen. Kun hän ei kehitä ajankohtaista ja informatiivista sisältöä, Gary löytyy yleensä soittamasta rakasta kitaraansa tai katsomassa Aston Villa FC: n nappaavan tappion voiton kidasta.

lainaukset