Kaj je Aerogel?

Rojstvo aerogela

Leta 1931 je Kistler ločil tekočino od trdne snovi z alkoholno superkritično tehniko sušenja in preprečil, da bi se struktura plina skrčila in sesedla, kar je povzročilo aerogel na svetu.

Opredelitev aerogela
Aerogel je lahek nanoporozen amorfen trden material z nanometrskimi mikrodelci, ki so združeni med seboj, da tvorijo porozno mrežno strukturo nanometrskega merila in napolnjeni z velikim številom plinastih disperzijskih medijev v mrežnem skeletu.

Aerogeli niso le funkcionalen material, ampak tudi novo agregatno stanje. Stanje aerogela se bistveno razlikuje od drugih stanj snovi v številnih lastnostih. Ima fiksno velikost in obliko kot trdna snov, vendar se njegova navidezna gostota lahko giblje od največ 1 g/cm³ do 0.001 g/cm³ (nižja od gostote zraka); hkrati pa ima gobasto porozno strukturo z več lastnostmi mikroskopskih (skelet v nano merilu), makroskopskih (kondenzirana snov) in mezoskopskih (večnivojska in fraktalna struktura) značilnosti, zaradi česar imajo aerogeli številne edinstvene lastnosti. Ima zelo nizko toplotno prevodnost, zelo nizek modul elastičnosti, zelo nizko fononsko hitrost, zelo nizek lomni količnik, nizko dielektrično konstanto, zelo nizko hitrost zvoka, visoko specifično površino, zelo široko gostoto in porazdelitev lomnega količnika itd.

Razvrstitev aerogelov
Obstaja široka paleta aerogelov, ki pokrivajo skoraj vse materialne sisteme. Na splošno jih lahko glede na kemično sestavo razdelimo na organske aerogele, anorganske aerogele in kompozitne aerogele itd. Aerogele lahko razvrstimo tudi v silicijeve, ogljikove, žveplove, kovinske oksidne in kovinske sisteme glede na njihove glavne sestavine.

Status in vloga aerogelov
Znanstveniki pravijo, da bodo aerogeli spremenili svet.

Aerogel je bil v 10. številki ameriške revije Science uvrščen med 250 najbolj vročih znanstvenih in tehnoloških tem. 20. avgusta 2007 je The Times poročal, da je aerogel najlažja trdna snov na svetu, ki lahko prenese eksplozivno moč 1 kg dinamita in vas zaščiti pred vročino pihalnika nad 1300 °C. Znanstveniki raziskujejo uporabo aerogela v vsem, od superizoliranih vesoljskih oblek do superkondenzatorjev do katalizatorjev do naslednje generacije teniških loparjev. Aerogel obljublja, da bo tekmoval z generacijami legendarnih materialov, kot so fenolne smole iz 1930-ih, ogljikova vlakna iz 1980-ih in silikon iz 1990-ih.

Aerogel je bil večkrat uvrščen v Guinnessovo knjigo rekordov kot najlažja trdna snov na svetu. Aerogel ima tudi zelo nizko toplotno prevodnost in lomni količnik ter je 39-krat bolj izolativen od najboljših steklenih vlaken. Aerogel je bil uporabljen za toplotno izolacijo ruske vesoljske postaje Mir in ameriškega roverja Mars Pathfinder ter je že igral ključno vlogo v vesoljski industriji.

Zgodovina razvoja aerogela
Leta 1931 je Kistler na univerzi Stanford v ZDA prvi pripravil aerogele.
Leta 1985 je Inštitut za fiziko Univerze v Würzburgu v Nemčiji organiziral prvi simpozij o aerogelih, znan kot ISA.
1993 se aerogeli uporabljajo za izolacijo vesoljskih oblek, vesoljskih plovil in raketoplanov.
Leta 2002 je bilo ustanovljeno podjetje NASA Aspen Aerogel za razvoj in proizvodnjo aerogelov.
2004, raziskave aerogelov, ki so jih izvedli domači kitajski raziskovalni inštituti.
Leta 2006 so domača podjetja za proizvodnjo aerogelov na Kitajskem začela razvijati aerogele.
2017, objavljeno na Kitajskem, GB/T 34336-201, Neporozni aerogelni kompozitni izolacijski izdelki
Leta 2021 je državni svet izdal »Akcijski načrt za doseganje vrhunca ogljika do leta 2023« o pospeševanju raziskav in razvoja ogljikovih vlaken, aerogelov, posebnega jekla in drugih osnovnih materialov.

Ključne lastnosti aerogelov
(1) Ultra lahka. Aerogel je najmanj gosta trdna snov na svetu, z najmanjšo gostoto ene šestine mase zraka. Razpon variacije gostote je običajno 0.001~1g/cm³.

(2) Visoka poroznost in visoka specifična površina. Poroznost je 80%~99.9%, specifična površina je 200~1000m2/g, tipična velikost por pa je 1~100nm.

(3) Super toplotna izolacija. Tanka nano-mrežna struktura aerogela učinkovito omejuje širjenje lokalnega toplotnega vzbujanja, njegova toplotna prevodnost v trdnem stanju pa je za 2–3 velikosti nižja kot pri ustreznem steklastem materialu.

Princip toplotne izolacije z aerogelom
Zmanjšan prenos toplote: Neskončno število nanodelcev v aerogelu tvori mrežasto okostje in toplota lahko teče le vzdolž neskončnega števila nanodelcev. Toplotni tok se lahko vodi le vzdolž neskončnega števila nanodelcev, kar ima za posledico skoraj neskončno pot prenosa toplote v trdni snovi. Prenos toplote v trdni snovi je zmanjšan na najnižjo možno raven.

Zaviranje toplotne konvekcije : Povprečna velikost por aerogelov je 20–40 nm, kar je manj od povprečnega prostega gibanja molekul plina, ki znaša 69 nm, molekule plina v porah pa izgubijo sposobnost prostega gibanja, zaradi česar je konvekcija skoraj nemogoča.

Zmanjšano toplotno sevanje : Stene por, ki jih tvorijo nanodelci v aerogelih, so infrardeči ščiti, neskončno število ščitov pa močno zmanjša toplotno sevanje.

(4) Kataliza. Zaradi majhne velikosti delcev, visoke specifične površine in nizke gostote aerogela je aktivnost in selektivnost aerogelnih katalizatorjev veliko višja od običajnih katalizatorjev, aktivne komponente pa so lahko zelo enakomerno razpršene v nosilcu in ima tudi odlično toplotno stabilnost, kar lahko učinkovito zmanjša pojav stranskih reakcij.

(5) Zvočna izolacija. Zaradi nizke hitrosti zvoka so aerogeli idealen material za akustično zakasnitev ali visokotemperaturno zvočno izolacijo. Razpon spremenljive akustične impedance aerogela je velik [103 ~ 107 kg/(㎡-s)], kar je bolj idealen spojni material za akustični upor za ultrazvočne detektorje. Zvočna upornost piezoelektrične keramike, ki se uporablja za ultrazvočne generatorje in detektorje, je 1.5 × 107 kg/(㎡-s), medtem ko je zvočna upornost zraka le 400 kg/(㎡-s). Uporaba silicijevega aerogela z debelino 1/4 valovne dolžine in gostoto približno 0.3 g/cm³ kot materiala za zvočno odpornost med piezoelektrično keramiko in zrakom lahko poveča intenzivnost zvoka za 30 dB, izboljša učinkovitost prenosa akustičnih valov in zmanjša razmerje med signalom in šumom v aplikacijah naprav.

(6) Zmogljivost filtracije. Nanostrukturne aerogele je mogoče uporabiti tudi kot nov tip visoko učinkovitega materiala za filtriranje plinov. Zaradi izjemno velike specifične površine aerogelom znanstveniki pravijo »super spužve« in so idealni za adsorpcijo onesnaževal v vodi, sesanje svinca in živega srebra iz vode, zaradi česar so odličen material za boj proti ekološkim katastrofam.

(7) Optične lastnosti. Čisti aerogel SiO₂ je prozoren in brezbarven, njegov lomni količnik (1.006~1.06) pa je zelo blizu zračnemu aerogelu, kar pomeni, da aerogel SiO₂ nima skoraj nobene izgube pri odboju vpadne svetlobe in lahko učinkovito prepušča sončno svetlobo. Zato se lahko uporablja za izdelavo izolacijskega stekla in stekla za zmanjšanje hrupa.

Za več informacij ali tehnični list in varnostni list nas kontaktirajte po e-pošti: [email protected] ali nam pokličite telefonsko številko: +86-28-8411-1861.

Nekatere slike in besedila so reproducirana z interneta, avtorske pravice pa pripadajo izvirnemu avtorju. Če pride do kakršnih koli kršitev, se obrnite na nas za izbris.