Vad är Aerogel? Teori, egenskaper och tillämpningar

av GP ThomasAug 22 2012

’Aerogel’ är en bred term som används för att prata om en extraordinär grupp av material som har använts sedan 1960-talet i rymdresor, men som nu hittar användningsområden inom en hel rad branscher. ’Aerogel’ är inte ett specifikt mineral eller material med en uppsättning kemisk formel-snarare används termen för att omfatta alla material med en specifik geometrisk struktur. Denna struktur är ett extremt poröst, fast skum, med hög anslutning mellan grenade strukturer av några få nanometer över.

även om aerogel är tekniskt ett skum, kan det ta många olika former och former. Majoriteten av aerogel består av kiseldioxid, men kol, järnoxid, organiska polymerer, halvledarnanostrukturer, guld och koppar kan också bilda aerogel. Men inom aerogelstrukturen är mycket lite fast material, med upp till 99,8% av strukturen som bara består av luft. Denna unika komposition ger aerogel ett nästan spöklikt utseende; därför är det ofta kallas ’fryst rök’.

även om detta ser ut som ett hologram, är detta ett fotografi av en klump av aerogel, som vid beröring känns som Styrofoam. Bildkrediter: NASA

kemiska och fysikaliska egenskaper hos Aerogel

en av de mest kända och mest användbara fysikaliska egenskaperna hos aerogel är dess otroliga ljushet-den har vanligtvis en densitet mellan 0,0011 till 0,5 g cm-3, med ett typiskt genomsnitt på cirka 0.020 g cm-3. Detta innebär att aerogel vanligtvis bara är 15 gånger tyngre än luft och har producerats med en densitet av endast 3 gånger luftens. Det är så lätt, att om Michelangelos David konstruerades från aerogel, det skulle väga ungefär samma som en påse med socker! Under många år, aerogel var i Guinness rekordbok som ’fast med den lägsta densiteten’, innan de störtade nyligen av metalliska microlattice och sedan aerographite.

detta långt ifrån gör aerogel redundant men eftersom det har ytterligare 14 världsrekord till sitt namn, inklusive ’best isolator’. Ytterligare önskvärda egenskaper hos aerogel listas nedan, med några av dessa egenskaper också de mest kända för människan.

• låg genomsnittlig fri väg för diffusion
• hög specifik yta (för ett icke-pulvermaterial)
• låg värmeledningsförmåga
• låg ljudhastighet
• lågt brytningsindex
• låg dielektrisk konstant

den extremt låga värmeledningsförmågan hos aerogel demonstreras mästerligt här, eftersom dessa vaxkritor sitter direkt ovanför en stark flamma utan smältning på grund av den skyddande aerogeln. Bildkrediter: NASA

hur skapas Aerogel?

generellt sett skapas aerogel genom att torka en gel i en högtemperaturmiljö. Först skapas gelen i en lösning, och därefter avlägsnas vätskekomponenten via superkritisk torkning, vilket avlägsnar vätska långsamt för att bibehålla den strukturella formen. Denna flytande komponent ersätts sedan med luft. Aerogel skapades först 1931 av Samuel Stephens Kistler, med kol aerogels introducerades först på 1980-talet.

Aerogel: den lättaste Elektronikskölden på jorden

tillämpningar av Aerogel

eftersom aerogel har så olika kemiska och fysikaliska egenskaper är det ingen överraskning att det också har ett brett utbud av applikationer. Sedan 1960-talet har aerogel använts som isoleringsmaterial i rymddräkter för NASA-astronauter, eftersom det trots sitt snygga utseende är extremt starkt och lätt kan överleva startförhållanden.

i början av 21 – talet var aerogel anställd i en mycket speciell roll av NASA-för att fånga rymddamm. Aerogel används i samband med Stardust-uppdraget, som syftar till att föra tillbaka partiklar från rymden bortom månen för första gången. Detta damm samlas främst från kometen ’Wild 2’. Aerogel används för att fånga detta kometdamm, eftersom det kommer att kunna fånga de små partiklarna utan att fysiskt förändra dem. När partikeln träffar aerogeln kommer den att resa med hastigheter upp till 6 gånger den för en gevärskula, vilket innebär att de flesta ämnen inte skulle kunna sakta ner dammet utan uppvärmning och därmed förändring sker. Med aerogel begravs dock dammet i det porösa materialet och stoppas gradvis när det tappar fart.

Läs mer om hur aerogeler har använts i kombination med grafen i fotovoltaiska applikationer

Aerogel börjar bli ett måste-ha-material i isoleringsindustrin och har använts i flera år i kavitetsinsprutade väggisolering och isoleringsskivor. Nyligen har aerogelbaserat gips använts för att isolera historiska byggnader i Schweiz. Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) labs har arbetat med tillverkningsföretaget Fixit AG för att utveckla ett render (isolerande material) baserat på aerogel, vilket de tror kommer att ge dubbelt så mycket isolering av normala renderingar. Användningen av aerogel på detta sätt är extremt energieffektiv och miljömässigt fördelaktig, eftersom det kommer att minska användningen av fossilt bränsle enormt vid uppvärmning.

förbättringar i bräcklighet och sprödhet av aerogels meddelade nyligen innebär att en helt ny värld av applikationer kan öppnas upp i framtiden, från kläder till värme proofing.

döm inte en bok efter omslaget: även om det är otroligt lätt och spöklikt i utseende, kan denna lilla bit aerogel enkelt stödja en vanlig hussten. Bildkrediter: NASA

referenser och vidare läsning

• NASA Jet Propulsion Laboratory
• EMPA
• www.aerogel.org
• rymdteknik för gamla byggnader, EMPA, 20 augusti 2012
• ’Solid smoke’ material aerogel får extra styrka, BBC News, 20 augusti 2012

skriven av

G. P. Thomas

Gary tog examen från University of Manchester med en förstklassig hedersexamen i geokemi och en magisterexamen i geovetenskap. Efter att ha arbetat i den australiensiska gruvindustrin bestämde Gary sig för att hänga upp sina geologistövlar och vända handen till att skriva. När han inte utvecklar aktuellt och informativt innehåll kan Gary vanligtvis hittas spela sin älskade gitarr eller titta på Aston Villa FC rycka nederlag från segerns käkar.

citat