Co To jest Aerogel? Teoria, właściwości i zastosowania

autor: G. P. ThomasAug 22 2012

„aerożel” to szerokie określenie używane do mówienia o niezwykłej grupie materiałów, które były używane od lat 60.w podróżach kosmicznych, ale obecnie znajdują zastosowanie w całej gamie branż. „Aerożel” nie jest specyficznym minerałem lub materiałem o ustalonym wzorze chemicznym-termin ten jest raczej używany do objęcia wszystkich materiałów o określonej strukturze geometrycznej. Struktura ta jest niezwykle porowatą, solidną pianką, o wysokiej łączności między rozgałęzionymi strukturami o szerokości kilku nanometrów.

chociaż aerożel jest technicznie pianką, może przyjmować wiele różnych kształtów i form. Większość aerożelu składa się z krzemionki, ale węgiel, tlenek żelaza, polimery organiczne, nanostruktury półprzewodnikowe, złoto i miedź mogą również tworzyć aerożel. Jednak w strukturze aerożelu bardzo mało jest solidnego materiału, przy czym do 99,8% struktury składa się tylko z powietrza. Ta unikalna kompozycja nadaje aerożelowi niemal upiorny wygląd; stąd często nazywany jest „zamrożonym dymem”.

chociaż to wygląda jak hologram, to jest to zdjęcie bryły aerożelu, która w dotyku czuje się jak styropian. Źródła obrazu: NASA

właściwości chemiczne i fizyczne aerożelu

jedną z najbardziej znanych i najbardziej użytecznych właściwości fizycznych aerożelu jest jego niesamowita lekkość-zwykle ma gęstość od 0,0011 do 0,5 g cm-3, z typową średnią około 0.020 g cm-3. Oznacza to, że aerożel jest zwykle tylko 15 razy cięższy od powietrza i został wyprodukowany przy gęstości zaledwie 3 razy większej niż powietrze. Jest tak lekki, że gdyby Dawid Michała Anioła był zbudowany z aerożelu, ważyłby mniej więcej tyle samo, co worek cukru! Przez wiele lat aerożel był w Księdze Rekordów Guinnessa jako „ciało stałe o najniższej gęstości”, zanim został wyparty przez metaliczny mikrolattice, a następnie aerographite.

z tego powodu aerożel jest jednak zbędny, ponieważ ma do swojej nazwy kolejne 14 rekordów świata, w tym „najlepszy izolator”. Dalsze pożądane właściwości aerożelu są wymienione poniżej, przy czym niektóre z tych właściwości są również najbardziej znane człowiekowi.

• Niska Średnia swobodna ścieżka dyfuzji
• wysoka powierzchnia właściwa (dla materiału nieproszkowanego)
• Niska przewodność cieplna
• niska prędkość dźwięku
• niski współczynnik załamania światła
• niska stała dielektryczna

niezwykle niska przewodność cieplna aerożelu jest mistrzowsko pokazana, ponieważ te woskowe kredki leżą bezpośrednio nad silnym płomieniem bez topnienia, dzięki aerożelowi ochronnemu. Źródło obrazu: NASA

jak powstaje Aerogel?

ogólnie rzecz biorąc, aerożel powstaje przez suszenie żelu, w środowisku o wysokiej temperaturze. Najpierw żel tworzy się w roztworze, a następnie płynny składnik usuwa się poprzez suszenie nadkrytyczne, które powoli usuwa ciecz w celu utrzymania strukturalnego kształtu. Ten płynny składnik jest następnie zastępowany przez powietrze. Aerożel został stworzony w 1931 roku przez Samuela Stephensa Kistlera, a aerożele węglowe wprowadzono po raz pierwszy w latach 80. XX wieku.

aerożel: najlżejsza Tarcza elektroniczna na Ziemi

zastosowania aerożelu

ponieważ aerożel ma tak różnorodne właściwości chemiczne i fizyczne, nie dziwi fakt, że ma również szeroki zakres zastosowań. Od lat sześćdziesiątych XX wieku aerożel jest stosowany jako materiał izolacyjny w skafandrach kosmicznych astronautów NASA, ponieważ pomimo swojego delikatnego wyglądu jest niezwykle wytrzymały i może łatwo przetrwać warunki startu.

na początku XXI wieku aerożel był wykorzystywany przez NASA do przechwytywania pyłu kosmicznego. Aerogel jest używany w połączeniu z misją „Stardust”, która po raz pierwszy ma na celu sprowadzenie cząstek z kosmosu zza Księżyca. Pył ten zbiera się głównie z komety „Wild 2”. Aerożel jest używany do wychwytywania pyłu komety, ponieważ będzie w stanie wychwycić małe cząstki bez fizycznej ich zmiany. Gdy cząstka uderzy w aerożel, będzie podróżować z prędkością do 6 razy większą niż pocisk karabinowy, co oznacza, że większość substancji nie byłaby w stanie spowolnić pyłu bez ogrzewania, a tym samym zmiany zachodzące. Jednak w przypadku aerożelu kurz zagłębia się w porowaty materiał i stopniowo zatrzymuje się, gdy traci pęd.

dowiedz się więcej o tym, jak aerożele były używane w połączeniu z grafenem w zastosowaniach fotowoltaicznych

aerożel zaczyna stać się niezbędnym materiałem w przemyśle izolacyjnym i od kilku lat jest stosowany w izolacjach ścian i płytach izolacyjnych. Ostatnio tynk na bazie aerożelu został użyty do izolacji zabytkowych budynków w Szwajcarii. Laboratoria empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) we współpracy z firmą produkcyjną Fixit AG opracowały render (materiał izolacyjny) oparty na aerożelu, który ich zdaniem zapewni dwukrotnie większą izolację niż zwykłe rendery. Zastosowanie w ten sposób aerożelu jest niezwykle energooszczędne i korzystne dla środowiska, ponieważ znacznie ograniczy wykorzystanie paliw kopalnych w ogrzewaniu.

zapowiedziana niedawno Poprawa kruchości i kruchości aerożeli oznacza, że w przyszłości może zostać otwarty zupełnie nowy świat zastosowań, od odzieży po izolację cieplną.

nie oceniaj książki po okładce: choć niezwykle lekki i przypominający ducha wygląd, ten mały kawałek aerożelu może z łatwością obsługiwać standardową cegłę domową. Kredyty Na Zdjęcia: NASA

Referencje i dalsze informacje

• NASA Jet Propulsion Laboratory
• EMPA
• www.aerogel.org
• technologia kosmiczna dla starych budynków, EMPA, 20 sierpnia 2012
• materiał „Solid smoke” aerożel dodaje wytrzymałości, BBC News, 20 sierpnia 2012

Written by

G. P. Thomas

Gary ukończył University of Manchester z wyróżnieniem pierwszej klasy w Geochemii i magistra nauk o Ziemi. Po pracy w australijskim przemyśle wydobywczym, Gary postanowił powiesić swoje buty geologiczne i zwrócić rękę do pisania. Kiedy nie rozwija aktualnych i pouczających treści, Gary zazwyczaj gra na ukochanej gitarze lub ogląda, jak Aston Villa FC wyrywa porażkę ze szczęk zwycięstwa.

Cytaty