Hvad er Aerogel? Teori, egenskaber og anvendelser

af G. P. ThomasAug 22 2012

‘Aerogel’ er et bredt udtryk, der bruges til at tale om en ekstraordinær gruppe af materialer, der er blevet brugt siden 1960 ‘ erne i rumrejser, men nu finder anvendelser på tværs af en lang række industrier. ‘Aerogel’ er ikke et specifikt mineral eller materiale med en bestemt kemisk formel-snarere bruges udtrykket til at omfatte alle materialer med en bestemt geometrisk struktur. Denne struktur er et ekstremt porøst, fast skum med høj forbindelse mellem forgrenede strukturer på nogle få nanometer på tværs.

selvom aerogel teknisk set er et skum, kan det tage mange forskellige former og former. De fleste aerogel er sammensat af silica, men kulstof, jern ilt, organiske polymerer, halvleder nanostrukturer, guld og kobber kan også danne aerogel. Imidlertid er meget lidt inden for aerogelstrukturen fast materiale, hvor op til 99,8% af strukturen kun består af luft. Denne unikke sammensætning giver aerogel et næsten spøgelsesagtigt udseende; derfor kaldes det ofte ‘frosset røg’.

selvom dette ligner et hologram, er dette et fotografi af en klump aerogel, som til berøring føles som Styrofoam. BILLEDKREDITTER: NASA

kemiske og fysiske egenskaber ved Aerogel

en af de mest kendte og mest nyttige fysiske egenskaber ved aerogel er dens utrolige lethed-den har typisk en tæthed mellem 0,0011 og 0,5 g cm-3, med et typisk gennemsnit på omkring 0.020 g cm-3. Dette betyder, at aerogel normalt kun er 15 gange tungere end luft og er produceret med en tæthed på kun 3 gange luftens. Det er så let, at hvis Michelangelos David blev konstrueret af aerogel, ville det veje omtrent det samme som en pose sukker! I mange år var aerogel i Guinness verdensrekordbog som det ‘faste stof med den laveste tæthed’, før det for nylig blev fortrængt af den metalliske mikrogitter og derefter aerografit.

dette langt fra gør aerogel imidlertid overflødig, da det har yderligere 14 verdensrekorder til sit navn, inklusive ‘bedste isolator’. Yderligere ønskelige egenskaber ved aerogel er anført nedenfor, med nogle af disse egenskaber også de mest kendte for mennesket.

• lav gennemsnitlig fri diffusionsvej
• højt specifikt overfladeareal (for et ikke-pulvermateriale)
• lav varmeledningsevne
• lav lydhastighed
• lavt brydningsindeks
• lav Dielektrisk konstant

aerogels ekstremt lave varmeledningsevne demonstreres mesterligt her, da disse vokskridt sidder direkte over en stærk flamme uden at smelte på grund af den beskyttende aerogel. BILLEDKREDITTER: NASA

Hvordan oprettes Aerogel?

generelt er aerogel skabt ved tørring af en gel i et højtemperaturmiljø. Først oprettes gelen i en opløsning, og derefter fjernes den flydende komponent via superkritisk tørring, som fjerner væske langsomt for at opretholde den strukturelle form. Denne flydende komponent erstattes derefter af luft. Aerogel blev først oprettet i 1931 af Samuel Stephens Kistler, med carbon aerogels først introduceret i 1980 ‘ erne.

Aerogel: det letteste Elektronikskærm på jorden

anvendelser af Aerogel

da aerogel har så forskellige kemiske og fysiske egenskaber, er det ingen overraskelse, at det også har en bred vifte af applikationer. Siden 1960 ‘ erne er aerogel blevet brugt som isoleringsmateriale i rumdragter fra NASA-astronauter, da det på trods af dets skæve udseende er ekstremt stærkt og let kan overleve startforhold.

i begyndelsen af det 21.århundrede blev aerogel ansat i en meget speciel rolle af NASA – for at fange rumstøv. Aerogel bruges i forbindelse med’ Stardust ‘ – missionen, der sigter mod at bringe partikler tilbage fra rummet ud over Månen for første gang. Dette støv opsamles primært fra kometen ‘vild 2’. Aerogel bruges til at fange dette kometstøv, da det vil være i stand til at fange de små partikler uden fysisk at ændre dem. Når partiklen rammer aerogel, vil den køre med hastigheder på op til 6 gange en riffelkugle, hvilket betyder, at de fleste stoffer ikke ville være i stand til at bremse støvet uden opvarmning og dermed ændring finder sted. Med aerogel begraver støvet sig imidlertid ind i det porøse materiale og stoppes gradvist, da det mister momentum.

Find ud af mere om, hvordan aerogels er blevet brugt i kombination med grafen i fotovoltaiske applikationer

Aerogel begynder at blive et must-have materiale i isoleringsindustrien og har været brugt i flere år i hulrumsindsprøjtet vægisolering og isoleringsplader. For nylig er aerogel-baseret gips blevet brugt til at isolere historiske bygninger i Sverige. De EMPA labs har arbejdet med fremstillingsvirksomheden Fiksit AG at udvikle en render (isolerende materiale) baseret på aerogel, som de mener vil give to gange isolering af normale gengivelser. Brugen af aerogel på denne måde er ekstremt energieffektiv og miljømæssig fordelagtig, da det vil reducere brugen af fossilt brændstof enormt til opvarmning.

forbedringer i skrøbelighed og skørhed af aerogels annonceret for nylig betyder, at en helt ny verden af applikationer kan åbnes i fremtiden, fra tøj til varmesikring.

bedøm ikke en bog efter dens omslag: selvom det er utroligt let og spøgelseslignende i udseende, kan dette lille stykke aerogel let understøtte en standard hussten. Billedkreditter: NASA

referencer og yderligere læsning

• NASA Jet Propulsion Laboratory
• EMPA
• www.aerogel.org
• rumteknologi til gamle bygninger, EMPA, 20. August 2012
• ‘massiv røg’ materiale aerogel får ekstra styrke, BBC nyheder, 20. August 2012

skrevet af

G. P. Thomas

Gary er uddannet fra University of Manchester med en førsteklasses æresgrad i geokemi og en kandidatgrad i Jordvidenskab. Efter at have arbejdet i den australske mineindustri besluttede Gary at hænge sine geologistøvler op og vende hånden til at skrive. Når han ikke udvikler aktuelt og informativt indhold, Gary kan normalt findes ved at spille sin elskede guitar, eller se Aston Villa FC snatch nederlag fra sejrens kæber.

citater