آئروژل‌ها؛ خواص و کاربرد(قسمت دوم)
رضیه برجیان

مقدمه

واژه آئروژل از دو کلمه هوا Air و ژل Gel تشکیل شده است، ژل شامل دوجزء است: 1-چارچوب ژل 2-ماتریس پرکننده آن. درمورد آئروژل پرکننده آن هواست. آئروژل ها مواد جامد با تخلخل بالا (منافذ باززیاد) ، مساحت سطح داخلی بالا و هدایت گرمایی پایین هستند، به همین دلیل دارای خصوصیات استثنایی و منحصر به فردی هستند. این مواد سرعت صوت پایین (عایق صوتی) و گذردهی اپتیکی یا نوری بالا دارند و به دلیل داشتن چگالی پایین به عنوان سبک ترین مواد جامد شناخته می شوند. آئروژل ها شامل نانوذراتی هستند که در یک شبکه سه بعدی با درجه تخلخل بالا قرار دارند.این حفره ها قطرهای متفاوتی دارند و از چند نانومتر تا چند میکرومتر متغیر است.[1] رابطه مستقیمى بین روش سنتز آئروژل ها و ساختار آنها وجود دارد و خصوصیات مهم و منحصر به فرد آئروژل ها نیز در گرو نوع ساختار آنها است. ﺳﻨﺘﺰ ذرات ﻣﺘﺨﻠﺨﻞ ﺑﺎ اﺑﻌﺎد  کمﺗﺮ از ﻣﻴﻜﺮون ﺑﺮای ﮔﺴﺘﺮش ﻓﻨﺎوری ﻫﺎی ﭘﻴﺸﺮﻓﺘﻪ ﺑﺴﻴﺎر ﻣهم ﻫﺴﺘﻨﺪ. از این نانو ساختارها به عنوان حامل دارو می توان استفاده کرد. [2] ما در این مقاله به برخی کاربردهای آیروژل سلولزی می پردازیم.
 

تولید آئروژل سلولزی و تبدیل کاغذ باطله به عایق حرارتی، صوتی و جاذب مایعات

مدت‌زمان زیادی است که از سلولز حاصل از چوب گیاهان، کاغذ تولید می‌شود؛ اما گروهی از دانشمندان به دنبال ساخت فرآورده‌های پیشرفته تری از سلولز هستند. در سال ۲۰۱۲ ایکالا و همکارانش در دانشگاه صنعتی هلسینکی فنلاند، روشی را برای ساخت یک ماده متخلخل و فوق‌العاده سبک بنام آئروژل سلولزی ، از سلولز تولیدشده توسط باکتری، ارائه کردند که تقریباً به‌سختی فولاد است و می‌تواند به حالت شناور، باری ۱۰۰۰ برابر وزن خود را حمل کند.

این محققان دریافتند که از سلولز نیز می‌توان آئروژل انعطاف‌پذیر ساخت، برخلاف آئروژل‌های دیگری که سفت‌وسخت هستند. آن‌ها با استفاده از محلول کبالت و آهن به مواد خاصیت مغناطیسی بخشیدند. این مواد می‌توانند در الکترونیک و دستگاه‌های صنعتی که به کنترل مقدار ناچیزی از مایع احتیاج دارند، استفاده شوند.

تلاش این گروه برای تولید آئروژل‌های متشکل از الیاف سلولزی در ابعاد نانو ادامه یافت و در این مسیر موفق به ساخت ماده‌ای شدند که دافع آب و خودتمیزشونده است. از سوی دیگر با ترکیب کردن آئروژل با گرافن، محصولی با استحکامی در حد فولاد یا حتی بالاتر ساختند.

گروه تحقیقاتی ایکالا با استفاده از پوشش دهی الیاف سلولزی آئروژل، با دی‌اکسید تیتانیوم آئروژلی با خواص دافع آب و جاذب روغن ایجاد کردند. این محصول مواد نفتی را به خود جذب می‌کرد و درعین‌حال به دلیل سبک بودن بر روی آب معلق می‌ماند، درنتیجه این امکان را فراهم می‌کرد تا کارگران بتوانند برای پاک‌سازی آلودگی‌های نفتی روی آب از آن استفاده کنند. بدین ترتیب می‌توان نفت را دوباره جمع‌آوری و یا مصرف کرد.
 

ساخت آئروژل سلولزی با استفاده از کاغذ باطله- یک فناوری سبز

طبق گزارشی که در سال ۲۰۱۶ منتشرشده است، یک گروه تحقیقاتی از دانشکده مهندسی دانشگاه ملی سنگاپور NUS موفق شدند با استفاده از کاغذهای باطله، آئروژل سلولزی با خاصیت غیر سمی، انعطاف‌پذیر، بسیار سبک و محکم و ضد آب تولید کنند. این مواد جدید قابل‌استفاده در کاربردهایی نظیر پاک‌سازی نفت‌های نشت کرده در سطح دریا، عایق حرارتی در ساختمان‌ها، فرآیند تحویل دارو و مواد هوشمند در کاربردهای زیست پزشکی هستند. این کار به سرپرستی Duong Hai Minh استادیار گروه مهندسی مکانیک انجام گرفت.
 رابطه مستقیمى بین روش سنتز آئروژل ها و ساختار آنها وجود دارد 
انتظار می‌رود تولید جهانی کاغذ باطله تا سال ۲۰۲۰ بالغ‌بر ۵۰۰ میلیون تن باشد. ازاین‌رو استفاده از این زباله‌های انبوه در مسیرهای کاربردی، علاوه بر اثرات مثبت زیست‌محیطی، نیازهای صنعت در بخش‌های متفاوت را نیز رفع می‌کند.

آئروژل سلولزی ۴ برابر مؤثرتر از جاذب‌های نفتی معمول

آئروژل سلولزی جدید ساخته‌شده توسط گروه دانشگاه NUS ظرفیت فوق‌العاده‌ای برای جذب مواد روغنی و نفتی دارد. آئروژل با تری متوکسی متیل سیلان (TMMS) پوشش داده‌شده است. این آئروژل با خاصیت دفع آب، قادر به جذب مواد نفتی تا ۹۰ برابر وزن خشک خودش است؛ باوجوداین خاصیت، این آئروژل ها ۴ برابر مؤثرتر از جاذب‌های معمول هستند. از سوی دیگر، در اثر فشردن (چلاندن) آئروژل، ۹۹ درصد از ماده جذب‌شده در آن، قابل بازگشت به چرخه نگه‌داری یا مصرف است.

در حال حاضر از جاذب‌های بر پایه پلی‌پروپیلن در سطح گسترده‌ای استفاده می‌شود اما آن‌ها علاوه بر مشکل بزرگ غیرقابل تجزیه بودن، ظرفیت جذب کمتر و آهسته‌تری دارند. در عوض آئروژل سلولزی جدید به‌عنوان روشی مؤثر و کارآمد به‌جای روش‌های متداول در پاک‌سازی محیط‌زیست از آلودگی‌های نفتی است و ظرفیت فروشی بالغ‌بر ۱۴۳٫۵ میلیارد دلار امریکا را دارد.
 

آئروژل سلولزی عایق حرارتی در کاربردهای ساختمانی/ پوشاک

تهویه ساختمان حدود دوسوم از انرژی مصرفی در ساختمان را به خود اختصاص می‌دهد. حدود ۵۰-۲۵ درصد از اتلاف حرارتی از طریق پنجره‌ها، درها، کف و سقف ساختمان صورت می‌گیرد. ازاین‌رو تقاضای بازار برای استفاده از این آئروژل به‌عنوان عایق حرارتی بسیار زیاد بوده و حدود ۳٫۳ میلیارد دلاری در سطح جهانی برآورد شده است. ویژگی ضد آب بودن آئروژل سلولزی قابلیت استفاده از آن را در مناطق خشک و بارانی فراهم می‌کند. استفاده از آئروژل های باریک و سبک به‌جای دیوار در ساختمان، موجب افزایش فضای داخلی بنا می‌شود.
 

ظرفیت استفاده در کاربردهای عمده

آئروژل سلولزی ساخته‌شده توسط گروه NUS می‌تواند تحولی را در صنعت بسته‌بندی ایجاد کنند. مواد بسته‌بندی بر پایه پلاستیک – مانند پلاستیک‌های حباب‌دار- می‌توانند با فوم بر پایه آئروژل زیست‌تخریب‌پذیر یا نانو صفحات آئروژل سلولزی پیشرفته و سازگار با محیط‌زیست جایگزین شوند.

آئروژل زیست‌تخریب‌پذیر با تخلخل و مساحت سطح بالا می‌تواند به‌عنوان مواد پوششی در فرآیند تحویل دارو یا مواد هوشمند استفاده شود. گروه NUS نیز روشی را برای گسترش ظرفیت وزن آئروژل سلولزی کشف کردند؛ این کار توسط تزریق الیاف سلولزی آئروژل به همراه نانو ذرات فلزی انجام می‌شود، سپس آئروژل سلولزی چکش‌کاری می‌شود تا در حد ممکن هوای آن خارج شود. درنتیجه یک فیلم نازک مغناطیسی با ظرفیت وزن بیش از ۲۸ تن بر سانتی‌متر مکعب حاصل می‌شود. 

آئروژل سلولزی پوشش دهی نشده با تری متوکسی متیل سیلان، آب‌دوست است، درنتیجه می‌تواند حجم عظیمی از مایعات قطبی مثل آب و الکل را جذب و نگه‌داری کند؛ بنابراین می‌توانند  در محصولاتی مانند پوشک بچه و دستمال بهداشتی استفاده شوند.[3]
 

پی نوشت
[1] article.tebyan.net/248251/معرفی-آئروژل-ها-خواص-و-کاربرد
[2] ﺗﺎﺛﻴﺮ ﺷﺮاﻳﻂ ﺳﻨﺘﺰ ﺑﺮ ﻣﻮرﻓﻮﻟﻮژی و اﻧﺪازه ذرات ﻧﺎﻧﻮﺳﺎﺧﺘﺎرﻫﺎی ﺳﻴﻠﻴﺴﻲ، اکبر الصاق، ﻣﺠﻠﻪ ﻣﻮاد ﻧﻮﻳﻦ ، ج2، ﺷﻤﺎره 2،ص 58.
[3] http://nanotexnet.ir/2351/2016/08/07/آئروژل-سلولزی-از-کاغذ-باطله
 
منابع
article.tebyan.net/
ﺗﺎﺛﻴﺮ ﺷﺮاﻳﻂ ﺳﻨﺘﺰ ﺑﺮ ﻣﻮرﻓﻮﻟﻮژی و اﻧﺪازه ذرات ﻧﺎﻧﻮﺳﺎﺧﺘﺎرﻫﺎی ﺳﻴﻠﻴﺴﻲ، اکبر الصاق، ﻣﺠﻠﻪ ﻣﻮاد ﻧﻮﻳﻦ ، ج2، ﺷﻤﺎره 2،زمستان 1390
   http://nanotexnet.ir