معرفی

این یک ایروژل است:

تصویر: یک ایروژل سیلیکای یکپارچه (اعتبار تصویر پروفسور سی. جفری برینکر)

و این هم همین طور:

تصویر: یک ایروژل سیلیکای انعطاف پذیر و از نظر مکانیکی قوی ساخته شده از methyltrimethoxysilane (اعتبار تصویر پروفسورVenkateswara Rao)

و این ها هم همین طور:

تصویر: یک ایروژل پلیمر رزورسینول - فرمالدئید (سمت چپ) و یک ایروژل کربنی رسانای الکتریکی (راست)

و این ها هم همین طور:

تصویر: ایروژل های رنگارنگ اکسید لانتانید ساخته شده از انعقاد (یا ژله شدن) نمک های فلزی به کمک اپوکسید (اعتبار تصویر آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور)

تصویر: ایروژل های اکسید فلز گذار شامل یک ایروژل (زنگار) اکسید آهن (بالا) (اعتبار تصویر آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور)

ایروژل ها انواع مختلفی از مواد متخلخل و جامد هستند که مجموعه ای عجیب از خواص مواد فوق العاده را به نمایش می گذارند. بیشتر قابل توجه است که ایروژل ها به دلیل چگالی بسیار کم خود (که بین 0.0011 تا 0.5 گرم بر سانتیمتر مکعب است) شناخته می شوند. در حقیقت، کم ترین چگالی مواد جامد که تا کنون تولید شده اند، همگی ایروژل هستند، از جمله یک ایروژل سیلیس که تنها سه برابر سنگین تر از هواست و با تخلیه هوا از منافذ آن می توان آن را سبک تر از هوا کرد. با این وجود، چگالی ایروژل ها معمولاً 0.020 گرم بر سانتیمتر مکعب یا بیشتر (حدود 15 برابر سنگین تر از هوا) است. اما حتی در آن چگالی ها، 150 قطعه ایروژل هر کدام به اندازه یک آجر، به وزن یک گالن آب است! و اگر مجسمه داود میکل آنژ از یک ایروژل با چگالی 0.020 گرم بر سانتیمتر مکعب ساخته شده بود، وزن آن فقط 4 پوند (2 کیلوگرم) بود! به طور معمول ایروژل ها 95 تا 99 درصد حجمشان هوا (یا گازهای دیگر) است و 99.98 درصد حجم کم چگال ترین هواژل تولید شده هواست.

اساساً یک ایروژل چارچوب خشک، کم چگالی، متخلخل، و جامد یک ژل (بخشی از ژل که به ژل انسجام شبه جامد می بخشد) است که به طور دست نخورده از جزء مایع ژل (یعنی قسمتی که بیشترین حجم ژل را تشکیل می دهد) مجزا شده است. ایروژل ها متخلخل باز هستند (یعنی گاز موجود در ایروژل داخل محفظه های جامد محبوس نمی شود) و دارای منافذی در محدوده کمتر از 1 تا 100 نانومتر (میلیاردم متر) در قطر و معمولاً کمتر از 20 نانومتر هستند.
ایروژل اکنون در طیف وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد.ایروژل ها موادی خشک هستند (بر خلاف ژل های معمولی که ممکن است این طور فکر کنید که معمولاً مانند دسر ژلاتین خیس هستند). واژه ایروژل به این واقعیت اشاره دارد که ایروژل ها از ژل ها - به طور مؤثر از ساختار جامد یک ژل مرطوب، تنها با گاز یا خلا در منافذ آن به جای مایع، مشتق شده اند.

درواقع همان طور که اشاره شد ایروژل یک اصطلاح گسترده است که برای صحبت در مورد گروه فوق العاده ای از مواد استفاده می شود که از دهه 1960 در سفرهای فضایی استفاده می شوند، اما اکنون در طیف وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند. "ایروژل" یک ماده معدنی یا ماده خاص با فرمول شیمیایی مشخص نیست - بلکه این عبارت برای در بر گرفتن همه مواد با ساختار هندسی خاص استفاده می شود. این ساختار یک فوم بسیار متخلخل و جامد است، با اتصال زیاد بین ساختارهای شاخه ای به عرض چند نانومتر.

اگرچه ایروژل از نظر فنی یک فوم است، اما می تواند اَشکال مختلفی داشته باشد. بیشتر ایروژل ها از سیلیس تشکیل شده اند، اما کربن، اکسید آهن، پلیمرهای آلی، نانوساختارهای نیمه هادی، طلا و مس نیز می توانند یک ایروژل تشکیل دهند. با این حال، در ساختار ایروژل، مواد جامد بسیار کمی وجود دارد، به طوری که 99.8٪ از ساختار آن چیزی جز هوا ندارد. این ترکیب منحصر به فرد به ایروژل ظاهری تقریبا شبح انگیز می بخشد. از این رو اغلب به آن "دود یخ زده" می گویند.

تعریف فنی

طبق تعریف،
ایروژل یک فوم سلول باز، میان تخلخلی (mesoporous)، و جامد است که از شبکه ای از نانوساختارهای به هم پیوسته تشکیل شده و این که یک تخلخل (یعنی حجم غیر جامد) کمتر از 50٪ از خود نشان نمی دهد.

اصطلاح "میان تخلخلی" (“mesoporous”) به ماده ای اطلاق می شود که دارای منافذی با قطر 2 تا 50 نانومتر است.

به طور کلی، اکثر منافذ یک ایروژل در این محدوده اندازه قرار می گیرند. در عمل، اکثر ایروژل ها بین 90 تا 99.8٪ تخلخل نشان می دهند و همچنین حاوی مقدار قابل توجهی از ریزتخلخل (microporosity) (منافذ کمتر از 2 نانومتر در قطر) هستند.

ایروژل ها از چه چیزی ساخته شده اند؟

به طور کلی، ایروژل با خشک کردن یک ژل، در محیط با دمای بالا ایجاد می شود. ابتدا ژل در یک محلول ایجاد می شود، و سپس مایع از طریق خشک شدن فوق بحرانی برداشته می شود، که این، مایع را به آرامی برای حفظ شکل ساختاری خارج می کند. سپس این جزء مایع با هوا جایگزین می شود. ایروژل برای اولین بار در سال 1931 توسط ساموئل استفن کیستلر ایجاد شد، و ایروژل های کربنی برای اولین بار در دهه 1980 معرفی شد.
اصطلاح ایروژل به یک ماده خاص اشاره نمی کند، بلکه به هندسه ای می پردازد که یک ماده می تواند به خود بگیرد - به همان شیوه ای که مجسمه را می توان از خاک رس، پلاستیک، پاپیه ماشه (papier-mâché که مخلوط چکش خواری است از کاغذ و چسب یا کاغذ، آرد و آب که وقتی خشک می شود سفت می شود) و غیره تهیه کرد، ایروژل ها را می توان از طیف گسترده ای از مواد، از جمله موارد زیر، ساخت:

* سیلیس
* اکثر اکسیدهای فلز گذار (به عنوان مثال، اکسید آهن)
* بیشتر اکسیدهای فلزی لانتانید و اکتینید (به عنوان مثال، اکسید پراسئودیمیوم)
* چندین گروه اصلی اکسید فلز (به عنوان مثال، اکسید قلع)
* پلیمرهای آلی (مانند رزورسینول فرمالدئید، فنل فرمالدئید، پلی اکریلات، پلی استایرن، پلی اورتان و اپوکسی)
* پلیمرهای بیولوژیکی (مانند ژلاتین، پکتین و آگار آگار)
* نانوساختارهای نیمه رسانا (مانند نقاط کوانتومی سِلِنید کادمیوم)
* کربن
* نانولوله های کربنی
و
* فلزات (مانند مس و طلا)

کامپوزیت های ایروژل، به عنوان مثال ایروژل های تقویت شده با روکش های پلیمری یا ایروژل های تعبیه شده با نانوذرات مغناطیسی نیز به طور معمول آماده می شوند.

ایروژل در مقابل سیلیکا ایروژل

واژه ایروژل هنگامی که خود به خود استفاده می شود اغلب برای اشاره به ایروژل های سیلیس مانند مورد آبی رنگ که در تصویر اول بالا نشان داده شده است، استفاده می شود (و به هر حال این جمله مانند گفتن "پلاستیک" و به طور خاص منظور داشتنِ مثلاً پلی اتیلن است، با وجود این واقعیت که تعداد زیادی از انواع دیگر پلاستیک مانند پلی پروپیلن، اکریلیک، تفلون، نایلون و غیره وجود دارد). به طور کلی، ایروژل یک ماده از نظر شیمیایی شبیه فرم توده ای آن ماده است. با توجه به چگالی کم و اثرات مقیاس طولی ناشی از داشتن ویژگی های نانوساختار، ایروژل ها اغلب خواص مواد را به طور چشمگیری در مقایسه با شکل غیر ایروژلی همان ماده افزایش می دهند (به عنوان مثال در افزایش قابل توجه سطح و فعالیت کاتالیزوری)، در حالی که غالباً کاهش خصوصیات دیگر مواد (مانند مقاومت مکانیکی) را نیز نشان می دهند.
چندین مثال از ایروژل های فوق العاده قوی وجود دارد که می توانند ده ها هزار برابر وزن خود را در نیروی اعمال شده تحمل کنند. گروهی از ایروژل های معدنی با پلیمر متقاطع به نام x-aerogels از جمله این مواد هستند و حتی می توانند علاوه بر استحکام مکانیکی، مانند لاستیک انعطاف پذیر شوند.

خواص ویژه ایروژل ها

بسیاری از ایروژل ها ترکیبی از خواص مواد قابل توجهی را دارند که هیچ ماده دیگری به طور همزمان از آن برخوردار نیست. فرمول های خاصی از ایروژل ها دارای کم ترین چگالی توده ای در قیاس با هر ماده شناخته شده (به میزان 0.0011 گرم در متر مکعب)، کم ترین مسیر آزاد میانگین انتشار در مقایسه با هر ماده جامد، بالاترین مساحت سطح ویژه در میان مواد مونولیتیک یا یکپارچه (غیر پودری) (تا 3200 متر مربع بر گرم)، کم ترین ثابت دی الکتریک نسبت به هر ماده جامدی، و کم ترین سرعت صدا در میان هر ماده جامدی است. توجه به این نکته ضروری است که همه ایروژل ها دارای خواص رکوردی نیستند (در واقع اکثر آنها دارای این ویژگی نیستند، اگرچه ممکن است برای بسیاری از خواص ارزش بسیار خوبی داشته باشند).

با تنظیم فرایند تولید، بسیاری از خواص یک ایروژل را می توان تنظیم کرد. تراکم توده ای نمونه خوبی از این موارد است که به سادگی با ساختن یک ژل زمینه ساز کم و بیش غلیظ تنظیم می شود. هدایت حرارتی یک ایروژل را نیز می توان به این طریق تنظیم کرد، زیرا هدایت حرارتی به چگالی مربوط می شود. به طور معمول، ایروژل ها بسته به ترکیب ایروژل و چگالی ژل زمینه ساز مورد استفاده برای ساخت ایروژل، تراکم حجمی از 0.5 تا 0.01 گرم در متر مکعب و مساحت سطح بین 100 تا 1000 متر مربع بر گرم را نشان می دهند. سایر خواص مانند شفافیت، رنگ، استحکام مکانیکی و حساسیت به آب در درجه اول به ترکیب ایروژل بستگی دارد.

به عنوان مثال، ایروژل های سیلیس، که بیشترین نوع ایروژل تحقیق شده هستند (و از نوعی هستند که افراد معمولاً در عکس ها مشاهده می کنند)، معمولاً با یک مشخصه انتشار آبی به دلیل پراکندگی رالی در طول موج های کوتاه نور از نانوذرات تشکیل دهنده چارچوب ایروژل، شفاف هستند. از طرف دیگر، ایروژل های کربنی کاملاً مات و سیاه هستند. علاوه بر این، ایروژل های اکسید آهن فقط به ندرت شفاف هستند و می توانند رنگ زنگار یا زرد داشته باشند. به عنوان مثالی دیگر، ایروژل های غیر آلی با چگالی کم (کمتر از 0.1 گرم بر متر مکعب) عایق های حرارتی عالی و مواد دی الکتریک عالی (عایق های الکتریکی) هستند، در حالی که اکثر ایروژل های کربنی هم عایق های حرارتی خوب و هم رساناهای الکتریکی هستند. بنابراین می توان دریافت که با تنظیم پارامترهای پردازش و بررسی ترکیبات جدید، می توانیم موادی با طیف وسیعی از ویژگی ها و توانایی ها بسازیم.

تصویر: عکس یک گل روی آتش، مونالیزای تصاویر ایروژل، که با عایق بندی یک گل ظریف و مرطوب در مقابل گرمای شدید مشعل بونزن، خواص فوق عایق بندی سیلیکا hdروژل را به طور چشمگیری نشان می دهد. (اعتبار آزمایشگاه لورنس برکلی)

انواع و اقسام ایروژل ها رکوردهایی برای خواص مختلف دارند. در این جا برخی از انها آمده است.

رکورد برخی از ایروژل های سیلیکا با فرمول ویژه:

* کم ترین چگالی جامد (0.0011 گرم بر سانتی متر مکعب)
* کم ترین ضریب شکست نوری (1.002)
* کم ترین رسانایی حرارتی (0.016 W m^-1 K^-1)
* کم ترین سرعت صدا از میان یک ماده (70 متر بر ثانیه)
* کم ترین ثابت دی الکتریک از 3 تا40 گیگاهرتز (1.008)

رکوردی که توسط یک ایروژل کربنی با فرمول ویژه نگهداری می شود:

* بالاترین مساحت سطح ویژه برای یک ماده یکپارچه (3200 متر مربع بر گرم)

بحث عمیق تری در مورد خواص ایروژل سیلیس و سایر انواع ایروژل ها که از لحاظ تاریخی کمتر نمایان شده اند، در بحث طعم های آئروژل یافت می شود.

یک ایروژل چه حسی دارد؟ ایروژل ها چقدر قوی هستند؟

برخلاف ژل های مرطوب مانندJell-O® ، hd ایروژل های غیر آلی از مواد خشک و سفت هستند و بسیار سبک هستند.

به طور کلی ایروژل ها بسیار شکننده هستند. ایروژل های غیر آلی شکننده هستند و در صورت خم شدن و یا در مورد آئروژل های با چگالی بسیار کم، هنگام فشار دادن، با شکستگی نامنظم بریده می شوند. با توجه به چگالی آنها، ایروژل ها معمولاً می توانند بار ملایم تا 2000 برابر وزن خود و گاهی بیشتر را تحمل کنند. اما از آن جا که چگالی ایروژل ها بسیار کم است، برای رسیدن به تراکم فشاری معادل 2000 برابر وزن مواد در یک نقطه خاص، نیروی زیادی لازم نیست. میزان فشار مورد نیاز برای خرد کردن بیشتر ژل های ایروژل با انگشتان شما چیزی است که برای خرد کردن یک تکه از غلات لازم است.
ایروژل در حال تبدیل شدن به یک ماده ضروری در صنعت عایق سازی است و چندین سال است که در عایق کاری دیوارها و صفحات عایق مورد استفاده قرار می گیرد. اخیراً از گچ بر پایه ایروژل برای عایق سازی ساختمان های تاریخی در سوئیس استفاده شده است، که به اعتقاد سازندگان عایق دو برابر قوی تر از عایق عادی را ارائه می دهد. ایروژل های پلیمری ارگانیک نسبت به ایروژل های غیر آلی شکننده تر هستند و از نظر قوام بیشتر شبیه فوم گلدان سبز هستند، زیرا به طور برگشت ناپذیری خرد می شوند. ایروژل های کربنی که از ایروژل های ارگانیک مشتق شده اند دارای قوام زغال فعال هستند و بسیار غیر مرطوب و غیر نرم هستند.

با این حال، چندین مثال از ایروژل های فوق العاده قوی وجود دارد که می توانند ده ها هزار برابر وزن خود را در نیروی اعمال شده تحمل کنند. گروهی از ایروژل های معدنی با پلیمر متقاطع به نام x-aerogels از جمله این مواد هستند و حتی می توانند علاوه بر استحکام مکانیکی، مانند لاستیک انعطاف پذیر شوند. یک نوع ایروژل x ساخته شده از وانادیا (اکسید وانادیوم) در فشرده سازی فوق العاده قوی است و دارای بیشترین مقاومت فشاری به وزن در بین انواع ایروژل های شناخته شده و موادی از قبیل کامپوزیت های فیبر کربن درجه هوافضا است! صرف نظر از ترکیب، اکثر انواع ایروژل ها را می توان به سادگی با متراکم ساختن آنها (بین 0.1 تا 0.5 گرم بر متر مکعب) قوی کرد، اما فقط به بهای کم شدن وزن سبک و رسانایی حرارتی فوق العاده کم آنها.

کاربردهای ایروژل

از آن جا که ایروژل دارای خواص شیمیایی و فیزیکی متنوعی است، تعجبی ندارد که کاربردهای وسیعی نیز دارد. از دهه 1960، ایروژل به عنوان عایق در لباس فضانوردان ناسا مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا با وجود ظاهر ترد، بسیار قوی است و می تواند به راحتی در شرایط تِیکآف دوام بیاورد.

در اوایل قرن 21، ایروژل در نقش بسیار ویژه ای توسط ناسا برای جذب گرد و غبار فضایی به کار گرفته شد. ایروژل به همراه مأموریت "Stardust" مورد استفاده قرار می گیرد، که هدف آن بازگرداندن ذرات از فضا از فراتر از ماه برای اولین بار است. این گرد و غبار عمدتاً از دنباله دار "Wild 2" جمع آوری می شود. از ایروژل برای جذب این گرد و غبار دنباله دار استفاده می شود، زیرا می تواند ذرات کوچک را بدون تغییر فیزیکی در آنها به دام اندازد. وقتی ذره به ایروژل برخورد می کند، با سرعتی تا 6 برابر سرعت گلوله تفنگ حرکت می کند، و این بدان معناست که اکثر مواد نمی توانند گرد و غبار را بدون گرم شدن و در نتیجه تغییر، جمع کنند. با وجود ایروژل، گرد و غبار خود را در مواد متخلخل دفن می کند و با از دست دادن شتاب به تدریج متوقف می شود.

همچنین از آئروژل ها در ترکیب با گرافن در کاربردهای فتوولتائیک استفاده می شود.

ایروژل در حال تبدیل شدن به یک ماده ضروری در صنعت عایق سازی است و چندین سال است که در عایق کاری دیوارها و صفحات عایق مورد استفاده قرار می گیرد. اخیراً از گچ بر پایه ایروژل برای عایق سازی ساختمان های تاریخی در سوئیس استفاده شده است، که به اعتقاد سازندگان عایق دو برابر قوی تر از عایق عادی را ارائه می دهد. استفاده از ایروژل در این روش بسیار کم مصرف و از نظر زیست محیطی مفید است، زیرا استفاده از سوخت های فسیلی را در گرمایش بسیار کاهش می دهد.

بهبود شکنندگی ایروژل ها که اخیراً اعلام شده به این معنی است که ممکن است در آینده دنیای جدیدی از کاربردها از لباس تا عایق حرارتی باز شود.

تصویر: کتاب را از روی جلد آن قضاوت نکنید: اگرچه از نظر ظاهری فوق العاده سبک و شبح مانند است، اما این قطعه کوچک ایروژل می تواند به راحتی یک آجر استاندارد خانه را تحمل کند. اعتبار تصویر: ناسا

ایروژل اکنون در طیف وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد.

منبع: aerogel