Aerogel

Generalități

Aerogel este un material sintetic poros ultraușor derivat dintr-un gel, în care componenta lichidă a gelului a fost înlocuit cu un gaz. Rezultatul este un solid cu densitate extrem de mică și conductibilitate termică extrem de scăzută. Mai putem întâlni și denumirile de fum înghețat, fum solid, aer solid, nor solid, fum albastru, datorită naturii sale translucide și a modului în care se împrăștie lumina în material. Se simte ca polistiren expandat fragil la atingere. Aerogelele pot fi făcute dintr-o varietate de compuși chimici. Aerogelul a fost creat pentru prima dată de Samuel Stephens Kistler în 1931, ca urmare a unui pariu cu Charles Learned care afirma că ar putea înlocui lichidul în "jeleuri" cu gaz, fără a provoca contracții.

Aerogelii sunt produși prin extragerea componentei lichide a unui gel prin uscare supercritică. Aceasta permite uscarea lentă a lichidului fără a face ca matricea solidă din gel să se prăbușească din acțiunea capilară, așa cum s-ar întâmpla cu evaporarea convențională. Primii aerogeli au fost produși din geluri de silice. Lucrările ulterioare ale lui Kistler au implicat aerogeli pe bază de alumină, cromă și dioxid de staniu. Aerogelii cu carbon au fost dezvoltați pentru prima dată la sfârșitul anilor '80. Aerogelul nu este un singur material cu o formulă chimică stabilită; în schimb, termenul este folosit pentru a grupa toate materialele cu o anumită structură geometrică.

Proprietăți

În ciuda numelui, aerogelele sunt materiale solide, rigide și uscate, care nu seamănă cu un gel în proprietățile lor fizice: numele vine de la faptul că sunt fabricate din geluri. Apăsând încet pe un aerogel de obicei, nu lasă nici un semn minor; apăsând mai ferm va lăsa o depresie permanentă. Apăsarea extrem de fermă va provoca o distrugere catastrofală a structurii rare, ceea ce o va face să se spargă ca sticla (o proprietate cunoscută sub numele de friabilitate), deși variațiile mai moderne nu suferă de acest lucru. În ciuda faptului că este predispus la spargere, este foarte puternic structural. Abilitățile sale impresionante de purtare se datorează microstructurii dendritice, în care particulele sferice de dimensiuni medii 2-5 nm sunt contopite în clustere. Aceste clustere formează o structură tridimensională extrem de poroasă a lanțurilor aproape fractale, cu pori puțin sub 100 nm. Dimensiunea medie și densitatea porilor pot fi controlate în timpul procesului de fabricație.

Aerogelul este un material format din 99.8% aer. Aerogelele au o rețea solidă poroasă care conține buzunare de aer, cu buzunarele de aer ocupând majoritatea spațiului din material. Lipsa materialului solid permite aerogelului să fie aproape lipsit de greutate.

Aerogelele sunt izolatori termici buni, deoarece anulează aproape două dintre cele trei metode de transfer de căldură - conductibilitate (în mare parte sunt compuse din gaze izolatoare) și convecția (microstructura împiedică circulația netă a gazelor). Sunt izolatori buni, deoarece sunt compuse aproape în întregime din gaze, care sunt conductoare de căldură foarte slabe. Aerogelul din silice este un izolator deosebit de bun, deoarece silicea este, de asemenea, un conductor de căldură slab; un aerogel metalic sau din carbon, pe de altă parte, ar fi mai puțin eficient. Ei sunt buni inhibitori de convectie, deoarece aerul nu poate circula prin structură. Aerogelii sunt izolatori radiaționali săraci, deoarece radiațiile infraroșii trec prin ele.

Datorită naturii sale higroscopice, aerogelul se simte uscat și acționează ca un agent deshidratant puternic. Persoanele care manipulează aerogelul pentru perioade îndelungate trebuie să poarte mănuși pentru a preveni apariția petelor uscate fragile pe piele.

Culoarea ușoară pe care o are se datorează răspândirii Rayleigh a lungimilor de undă mai scurte ale luminii vizibile prin structura dendritică de dimensiuni nano. Acest lucru face ca acesta să pară albastru fumos pe fundaluri întunecate și gălbui pe fundaluri luminoase.

Aerogelii singuri sunt hidrofili și, dacă absorb umiditatea, suferă de obicei o modificare structurală, cum ar fi contracția și se deteriorează, dar degradarea poate fi prevenită prin transformarea lor hidrofobă, printr-un tratament chimic. Aerogelii cu interioare hidrofobe sunt mai puțin sensibile la degradare decât aerogelii cu doar un strat hidrofob extern, chiar dacă o fisură penetrează suprafața.

Efectul Knudsen

Aerogelele pot avea o conductibilitate termică mai mică decât cea a gazului pe care îl conțin. Acest lucru este cauzat de efectul Knudsen, o reducere a conductibilității termice a gazelor atunci când dimensiunea cavității care cuprinde gazul devine comparabilă cu calea medie liberă. În mod efectiv, cavitatea restricționează mișcarea particulelor de gaz, scăzând conductibilitatea termică pe lângă eliminarea convecției. De exemplu, conductibilitatea termică a aerului este de aproximativ 25 mW/(m- K) la STP și într-un recipient mare, dar scade la aproximativ 5 mW/(m- K) într-un diametru de 30 de nanometri în pori.

Structura

Structura aerogelului rezultă dintr-o polimerizare sol-gel, care are loc atunci când monomerii (molecule simple) reacționează cu alți monomeri pentru a forma un sol sau o substanță care constă din macromolecule legate, reticulate, cu depuneri de soluție lichidă printre ele. Când materialul este încălzit în mod critic, lichidul se evaporă și rămâne în urmă cadrul macromoleculelor legate, încrucișate. Rezultatul polimerizării și încălzirii critice este crearea unui material care are o structură puternică poroasă clasificată drept aerogel. Variațiile de sinteză pot modifica suprafața și dimensiunea porilor aerului. Cu cât dimensiunea porilor este mai mică, cu atât este mai susceptibilă fracturarea aerului.