Wat is Aerogel? Theorie, eigenschappen en toepassingen

door G. P. ThomasAug 22 2012

“Aerogel” is een brede term die wordt gebruikt om te spreken over een buitengewone groep materialen die sinds de jaren 1960 in de ruimtevaart worden gebruikt, maar nu in een hele reeks industrieën worden gebruikt. “Aerogel” is geen specifiek mineraal of materiaal met een vaste chemische formule-de term wordt eerder gebruikt om alle materialen met een specifieke geometrische structuur te omvatten. Deze structuur is een extreem poreus, stevig schuim, met een hoge connectiviteit tussen vertakte structuren van een paar nanometer doorsnede.

hoewel aerogel technisch een schuim is, kan het veel verschillende vormen aannemen. De meerderheid van aerogel is samengesteld uit silica, maar koolstof, ijzeroxide, organische polymeren, halfgeleider nanostructuren, goud en koper kunnen ook aerogel vormen. Binnen de aerogel-structuur is echter zeer weinig vast materiaal, waarbij tot 99,8% van de structuur uit niets dan lucht bestaat. Deze unieke compositie geeft aerogel een bijna spookachtige uitstraling; daarom wordt het vaak ‘bevroren rook’ genoemd.

hoewel dit lijkt op een hologram, is dit een foto van een klomp aerogel, die aanvoelt als piepschuim. NASA

chemische en fysische eigenschappen van Aerogel

een van de bekendste en meest bruikbare fysische eigenschappen van aerogel is zijn ongelooflijke lichtheid-Het heeft een dichtheid tussen 0,0011 en 0,5 g cm-3, met een gemiddeld gemiddelde van ongeveer 0.020 g cm-3. Dit betekent dat aerogel meestal slechts 15 keer zwaarder is dan lucht, en is geproduceerd met een dichtheid van slechts 3 keer die van lucht. Het is zo licht, dat als Michelangelo ‘ s David was gemaakt van aerogel, het ongeveer hetzelfde zou wegen als een zak suiker! Gedurende vele jaren stond aerogel in het Guinness book of World records als de ‘vaste stof met de laagste dichtheid’, voordat hij onlangs werd verdrongen door de metallic microlattice en vervolgens aerographite.

dit maakt aerogel echter niet overbodig, aangezien het nog eens 14 wereldrecords op zijn naam heeft staan, waaronder ‘best insulator’. Verdere wenselijke eigenschappen van aerogel worden hieronder vermeld, met een aantal van deze eigenschappen ook de meest bekende voor de mens.

• Lage gemiddelde vrije weglengte van diffusie
• Hoog specifiek oppervlak (voor een niet-poeder materiaal)
• Lage thermische geleidbaarheid
• Lage geluid snelheid
• Lage brekingsindex
• Lage diëlektrische constante

het extreem lage warmtegeleidingsvermogen van aerogel wordt hier meesterlijk aangetoond, omdat dit waskrijt direct boven een sterke vlam zit zonder te smelten, dankzij de beschermende aerogel. Image Credits: NASA

Hoe wordt Aerogel gemaakt?

in het algemeen wordt aerogel gemaakt door het drogen van een gel in een omgeving bij hoge temperaturen. Eerst wordt het gel gemaakt in een oplossing, en dan wordt de vloeibare component verwijderd via superkritisch drogen, die vloeistof langzaam verwijdert om de structurele vorm te behouden. Deze vloeibare component wordt dan vervangen door lucht. Aerogel werd voor het eerst opgericht in 1931 door Samuel Stephens Kistler, met carbon aerogels voor het eerst geïntroduceerd in de jaren 1980.

Aerogel: het lichtste Elektronicaschild op aarde

toepassingen van Aerogel

aangezien aerogel zulke uiteenlopende chemische en fysische eigenschappen heeft, is het geen verrassing dat het ook een breed scala aan toepassingen heeft. Sinds de jaren ‘ 60 wordt aerogel gebruikt als isolatiemateriaal in ruimtepakken van NASA-astronauten, omdat het, ondanks zijn piepkleine uiterlijk, extreem sterk is en opstijgen gemakkelijk kan overleven.In het begin van de 21e eeuw werd aerogel door de NASA ingezet voor een zeer speciale rol, namelijk het opvangen van stof in de ruimte. Aerogel wordt gebruikt in combinatie met de’ Stardust ‘ missie, die voor het eerst deeltjes uit de ruimte van voorbij de maan terug wil brengen. Dit stof wordt voornamelijk verzameld uit de komeet ‘Wild 2’. Aerogel wordt gebruikt om dit komeetstof op te vangen, omdat het de kleine deeltjes kan vangen zonder ze fysiek te veranderen. Wanneer het deeltje de aerogel raakt, zal het reizen met snelheden tot 6 keer die van een geweerkogel, wat betekent dat de meeste stoffen niet in staat zijn om het stof te vertragen zonder verwarming en dus verandering plaatsvinden. Bij aerogel begraaft het stof zich echter in het poreuze materiaal en wordt geleidelijk tot stilstand gebracht naarmate het aan kracht verliest.

meer informatie over het gebruik van aerogels in combinatie met grafeen in fotovoltaïsche toepassingen

Aerogel begint een must-have-materiaal te worden in de isolatieindustrie en wordt al enkele jaren gebruikt in isolatieplaten voor holle geïnjecteerde wand en isolatieplaten. Onlangs is het op aerogel gebaseerde gips gebruikt om historische gebouwen in Zwitserland te isoleren. De labs EMPA (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) hebben samen met het productiebedrijf Fixit AG gewerkt aan de ontwikkeling van een render (isolatiemateriaal) op basis van aerogel, die volgens hen tweemaal de isolatie van normale renders zal bieden. Het gebruik van aerogel op deze manier is uiterst energie-efficiënt en milieuvriendelijk, omdat het het gebruik van fossiele brandstoffen enorm zal verminderen bij verwarming.Door de onlangs aangekondigde verbeteringen in de kwetsbaarheid en broosheid van aerogels kan in de toekomst een hele nieuwe wereld van toepassingen worden geopend, van kleding tot warmtebestendigheid.

beoordeel een boek niet op zijn kaft: hoewel het er ongelooflijk licht en spookachtig uitziet, kan dit kleine stukje aerogel gemakkelijk een standaard huissteen ondersteunen. Foto-Credits: NASA

Referenties en Verder Lezen

• NASA Jet Propulsion Laboratory
• EMPA
• www.aerogel.org
• Ruimte-technologie voor oude gebouwen, EMPA, 20 augustus 2012
• ‘Solid rook” materiaal aerogel wordt toegevoegd kracht, BBC News, 20 augustus 2012

Geschreven door

G. P. Thomas

Gary afgestudeerd aan de Universiteit van Manchester met een first-class honours degree in de Geochemie en een master Earth Sciences. Na te hebben gewerkt in de Australische mijnbouw, besloot Gary zijn geologie laarzen op te hangen en zijn hand te wenden tot het schrijven. Wanneer hij niet het ontwikkelen van actuele en informatieve inhoud, Gary kan meestal worden gevonden spelen van zijn geliefde gitaar, of kijken naar Aston Villa FC rukken nederlaag uit de kaken van de overwinning.

citaten