Aerogel

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Bloc de aerogel

Aerogelul este un amestec de gaz și solid, deci similar cu un gel în care lichidul este înlocuit cu un gaz [1] . Rezultatul este o spumă solidă cu multe proprietăți unice, dintre care cea mai importantă este eficiența sa în izolarea . Este supranumit fum de gheață , [2] fum solid sau fum albastru datorită transparenței sale; suprafața sa la atingere amintește de spuma de cauciuc , chiar dacă nu este la fel de moale.

Airgel a fost creat pentru prima dată de Steven Kistler în 1931 , ca rezultat al unui pariu cu Charles Learned : oricine ar înlocui mai întâi lichidul cu un gaz într-un gel ar câștiga, dar fără a-l face să se prăbușească. [3] [4] Primul rezultat a fost gelul de siliciu. Pentru aerogel se pot folosi materiale foarte diferite; Munca lui Kistler a condus la aerogeluri pe bază de siliciu , aluminiu , crom și staniu . Carbonul Airgel a fost dezvoltat pentru prima dată în 1990 [5] .

Aerogelul este substanța solidă cel mai puțin densă cunoscută, adică cea mai ușoară pe metru cub; [6] este alcătuit din 99,8% aer și 0,2% dioxid de siliciu (silice), principalul component al sticlei . Aerogelul este de o mie de ori mai puțin dens decât sticla, de trei ori mai greu decât aerul, rezistă la temperaturi foarte ridicate și este un bun izolator termic . [7]

Istorie

Primele molecule ale acestui material datează din 1931, când Steven Kistler de la Colegiul Pacificului din Stockton (California) a încercat să demonstreze că un gel conține o matrice solidă de aceeași dimensiune și formă ca și gelul în sine.

Cel mai imediat mod de a dovedi această ipoteză a fost eliminarea părții lichide din gel , lăsând partea solidă intactă. În realitate, dacă gelul a fost pur și simplu uscat, structura s-a prăbușit, ajungând doar la o fracțiune din volumul inițial, odată cu ruperea structurii solide. Kistler a presupus corect că componenta solidă a gelului a fost microporoasă și că interfața lichid-vapori a lichidului de evaporare a exercitat forțe de tensiune superficială intense, ceea ce a dus la distrugerea structurii porilor. Prin urmare, Kistler a înțeles aspectul cheie al producției de aerogel: înlocuirea lichidului cu aer, făcându-l să treacă prin condiții supercritice în care, prin urmare, cele două faze nu erau prezente în același timp și tensiunile de suprafață erau astfel absente.

Kistler a descoperit secretul uscării gelului și al prevenirii prăbușirii acestuia. A scăzut lichidul la temperaturi și presiuni ridicate , aducând lichidul în starea supercritică , în care nu mai este posibil să se facă distincția între lichid și gaz. După crearea condițiilor supercritice, presiunea scade încet: fluidul supercritic este apoi expulzat din gel fără efectele distructive datorate tensiunii superficiale . Ceea ce rămâne este un aerogel cu 98% aer.

Producție

Aerogelul cu silice, așa cum s-a văzut deja, este produs prin deshidratarea unui gel compus din silice coloidală în condiții extreme de presiune și temperatură. Mai precis, procesul începe prin amestecarea unui precursor Si (OR) 4 ( alcoxid de siliciu) cu un alcool lichid precum etanolul, care duce la formarea silicagelului ( sol-gel ). Apoi, folosind un proces numit uscare supercritică , alcoolul este îndepărtat din gel. Acest lucru se realizează utilizând acetonă , care solubilizează etanolul și apoi ambii sunt eliminați din CO 2 supercritic. O variantă a acestui proces implică injectarea directă de dioxid de carbon supercritic în vasul sub presiune în care este plasat aerogelul. Rezultatul final constă în îndepărtarea întregii faze lichide din gel care este înlocuită cu gaz, fără a permite întreaga structură a gelului să se prăbușească sau să-i scadă volumul.

Aerogelurile compozite au fost produse folosind o varietate de materiale. Fibra de sticlă a fost utilizată pentru a întări aerogelurile compozite, oferindu-le proprietăți mecanice mai bune.

Resorcinolul - aerogelurile formaldehidice (aerogelurile RF) sunt produse în mod similar cu aerogelurile cu silice.

Aerogelul de carbon este obținut dintr-un aerogel RF prin piroliză într-o atmosferă de gaz inert; rezultă o matrice de carbon. Este disponibil comercial sub formă de tablă solidă, pudră sau compozită.

Proprietate

Airgel este un material ușor, dar cu o capacitate de încărcare enormă și rezistență structurală: un bloc de piatră de 2,5 kg este susținut de o bază de aerogel care cântărește doar 2 grame .
Airgel este un excelent izolator termic

La atingere , un aerogel arată similar cu o spumă ușoară, dar rigidă. În ciuda a ceea ce sugerează numele lor, aerogelurile sunt materiale uscate și, mai degrabă decât să semene cu un gel clasic, proprietățile lor fizice le fac mai mult ca o nano-spumă . Presiunea ușoară pe suprafața aerogelului nu lasă de obicei urme; o cantitate mai mare de presiune va lăsa în schimb un semn permanent. O presiune puternică poate determina distrugerea întregii structuri, cu o spargere similară cu cea a unui pahar ; această proprietate se numește friabilitate . Deși este supus ruperii, este un material cu o structură foarte rezistentă. Capacitățile sale de transport impresionante se datorează microstructurii sale dendritice , în care particulele sferice de dimensiuni medii de 2-5 nm sunt fuzionate împreună pentru a forma un cluster . Aceste grupuri formează o structură tridimensională foarte poroasă cu lanțuri aproape în formă de fractal , cu pori mai mici decât 100 nm . Dimensiunea medie și densitatea porilor pot fi controlate în timpul procesului de fabricație.

Aerogelurile sunt izolatori termici excepționali. Sunt buni inhibitori convectivi , deoarece aerul nu poate circula în interiorul rețelei. Aerogelul cu silice este în special un bun izolator pentru conducerea căldurii datorită faptului că silica este un conductor slab, pe de altă parte, un aerogel metalic va avea mai puține proprietăți izolante. Aerogelul din carbon este un bun izolator al radiațiilor termice , deoarece carbonul absoarbe lumina infraroșie responsabilă de transferul de căldură . Aerogelul cu cele mai mari proprietăți izolante este cel al silicei cu adaos de carbon.

Datorită naturii lor higroscopice , aerogelurile sunt desecanți puternici. Cei care trebuie să manipuleze un aerogel pentru o perioadă lungă de timp ar trebui să poarte mănuși pentru a preveni formarea unor pete fragile pe mâini.

Deoarece aerogelul este format în principal din aer, acesta pare semi-transparent. Culoarea se datorează împrăștierii Rayleigh a lungimilor de undă mai scurte ale spectrului vizibil de către structura dendritică nanometrică. Acest fenomen se află la originea culorii albăstrui asumate pe un fundal închis și a celei albicioase pe un fundal strălucitor.

Aerogelurile sunt prin natura lor hidrofile , dar tratamentele chimice le pot face hidrofobe . Dacă absorb umezeala, pot suferi modificări structurale, cum ar fi contracția și deteriorarea, dar transformarea lor în hidrofobă poate preveni această degradare. Aerogelurile cu interior hidrofob sunt mai puțin susceptibile la degradare decât cele în care doar stratul exterior a fost făcut hidrofob, chiar dacă o fisură pătrunde în suprafață. În plus, tratamentele hidrofobe favorizează prelucrarea ulterioară, permițând utilizarea tăierii cu apă .

Tipuri de aerogeluri

Aerogel de silice

Aerogelul cu silice este cel mai frecvent tip de aerogel, cel mai studiat și utilizat. Solidul cu densitate mai mică descoperit în prezent este un nanospum de silice cu o densitate de 1,00 kg / mc [6] , care este, prin urmare, o versiune mai ușoară a aerogelului cu o densitate de 1,90 kg / mc [8] . Prin comparație, densitatea aerului este de 1,20 kg / m³ [9] ; rețineți, totuși, că densitățile raportate sunt nete de aerul conținut în ele, aducând densitatea totală a solidelor la 2,20 kg / m3 și respectiv 3,10 kg / m3.

Aerogelul de silice absoarbe puternic radiațiile infraroșii . Prin exploatarea acestei caracteristici este posibil să se construiască materiale care lasă lumina soarelui să pătrundă în clădiri, asigurând în același timp izolația termică.

Are o conductivitate termică extrem de scăzută (de la 0,03 W / m K a 0,004 W / mK ), [6] [7] ceea ce îi conferă proprietăți izolatoare excelente. Punctul său de topire este de 1200 ° C.

Aerogel de carbon

Aerogelurile de carbon sunt compuse din particule de ordinul nanometrului , legate între ele covalent . Au o porozitate foarte mare (mai mare de 50%, cu un diametru al porilor mai mic de 100 nm ) și suprafața dintre 400-1000 / g ; au o densitate de aproximativ 0,25 g / cm³ (aerogel cu densitate redusă) e 0,8 g / cm³ (aerogel de înaltă densitate). Adesea sunt produse sub forma unei foi compozite, formată din fibre de carbon , impregnate cu aeror gel de resorcinol - formaldehidă și pirolizate . În raport cu densitatea, aerogelurile din carbon pot fi conductoare electrice , ceea ce face ca foaia compusă din aerogel să fie utilă pentru producerea electrozilor utilizați de exemplu în condensatori . Datorită suprafeței lor extrem de ridicate, aerogelurile din carbon sunt utilizate la crearea supercondensatorilor , dispozitive capabile să atingă valori ale capacității electrice a mii de farade . Aerogelurile din carbon absorb puternic radiațiile infraroșii, reflectând doar 0,3% din radiația dintre i 250 nm și 14,3 μm , iar această proprietate a lor le face eficiente în stocarea energiei solare .

Termenul „aerogel” este folosit în mod necorespunzător pentru a indica, de asemenea, mase de nanotuburi de carbon bogate în aer și produse prin tehnici chimice de depunere a vaporilor . Din aceste materiale este posibil să se obțină fibre cu o rezistență mai mare decât Kevlar și cu proprietăți electrice caracteristice. Aceste materiale nu sunt aerogeluri, deoarece nu au o structură internă monolitică și o structură poroasă regulată caracteristică aerogelurilor.

Aerogel de alumină

Aerogelurile compuse din oxid de aluminiu constituie ceea ce sunt denumite aerogeluri de alumină. Acești aerogeli sunt folosiți ca catalizatori , în special în dopajul metalelor cu alte metale. Aerogelul nichel- alumină este cea mai comună combinație. Aerogelurile de alumină sunt, de asemenea, studiate de NASA pentru captarea particulelor hiper-rapide [10] ; o formulare obținută prin dopaj cu gadolinium și terbiu este capabilă să genereze fluorescență la locul de impact al particulei, cu emisia de energie radiantă în funcție de viteza de impact.

Alte aerogeluri

SEAgel este un material similar aerogelului organic, obținut din agar agar .

Calcogelurile sunt un tip de aerogel obținut din calcogeni , platină și alte elemente [11] . Au caracteristica de a absorbi preferențial metalele grele [12] și se studiază utilizarea lor pentru a elimina poluanții precum mercurul , plumbul și cadmiul din apă.

Utilizări

Colectorul cu blocuri de aerogel utilizat de sonda Stardust pentru a preleva praful interstelar

Aerogelurile sunt materiale care găsesc diferite aplicații. Din punct de vedere comercial, aerogelurile au fost utilizate sub formă de granule pentru a conferi izolație termică ferestrelor clădirilor. După mai multe experimente în absența gravitației , un grup de cercetători [13] a arătat că producția de aerogeluri într-un mediu microgravitațional poate da naștere la particule de dimensiuni mai uniforme și poate reduce efectul datorat împrăștierii Rayleigh în aerogelurile de silice., Astfel făcând aerogelul mai transparent. Suprafața ridicată a aerogelului îl face util în purificarea chimică prin adsorbție . Această caracteristică îi oferă, de asemenea, un mare potențial de utilizare ca catalizator sau ca purtător pentru alt catalizator. Particulele de aerogel sunt, de asemenea, utilizate ca agent de îngroșare în unele vopsele și produse cosmetice .

Aerogelurile au fost, de asemenea, testate pentru a fi utilizate ca țintă pentru instalația națională de aprindere .

În raport cu o aplicație specifică, performanța aerogelului poate fi crescută prin adăugarea de agenți dopanți, consolidarea structurii acestora sau adăugarea diferitelor substanțe. În acest fel, domeniul de aplicare a acestor materiale poate fi extins pe scară largă.

Producția comercială de aerogeluri compozite a început în jurul anului 1998 . Aerogelul de silice este combinat cu o armătură fibroasă care asigură flexibilitate și durabilitate. Proprietățile mecanice și termice ale produsului pot fi variate în funcție de fibrele de armare utilizate, matricea de aerogel folosită și adăugarea de aditivi opacifianți incluși în compozit. În jurul anului 2000 puteți găsi primele exemple de aplicare a aerogelurilor compozite în echipamentele sportive, primul exemplu dat este o jachetă proiectată și fabricată în Italia numită Absolute Zero și o versiune ulterioară numită Absolute Frontiers. [14] [15]

NASA a folosit aerogelul pentru a prinde particulele de praf interstelar în timpul misiunii Stardust . Aceste particule se vaporizează la impact cu solidele și trec prin gaze, dar pot fi prinse în aerogeluri. NASA a folosit, de asemenea, aerogelul pentru izolarea termică a Mars Exploration Rover și a costumelor spațiale . [16] [17] Valoarea densității reduse face avantajoasă utilizarea acesteia în misiuni spațiale.

Aerogelurile sunt, de asemenea, utilizate în fizica particulelor ca emițătoare de fotoni în detectoarele care exploatează efectul Čerenkov . Detectorul Belle, utilizat în experimentul Belle cu acceleratorul KEKB , este un exemplu recent al unei astfel de utilizări. Aerogelurile sunt potrivite pentru această aplicație datorită indicelui lor de refracție scăzut, transparenței și stării lor solide, caracteristici care le fac mai ușor de utilizat decât lichidele criogenice sau gazele comprimate.

Resorcinolul - aerogelurile formaldehidice ( polimeri asemănători chimic cu rășinile fenol-formaldehidice ) sunt utilizate în principal ca precursori pentru producerea de aerogeli carbonici sau în cazurile în care este necesar un izolator organic cu extindere mare a suprafeței. Sunt materiale cu densitate mare, cu o suprafață de aproximativ 600 m 2 / g.

Nanocompozitele metal-aerogel pot fi preparate prin impregnarea hidrogelului de pornire cu o soluție care conține ioni de metale nobile sau de tranziție adecvate. Acest hidrogel impregnat este apoi supus iradierii cu raze gamma , obținându-se astfel precipitarea nanoparticulelor metalice. Astfel de compozite pot fi utilizate, de exemplu, ca catalizatori, senzori, scuturi electromagnetice și în eliminarea deșeurilor. Un catalizator de perspectivă platină pe carbon poate fi utilizat în celulele de combustibil .

Datorită biocompatibilității sale, aerogelul poate fi folosit ca sistem de distribuire a medicamentelor . Suprafața ridicată și structura poroasă permit absorbția medicamentelor din CO 2 supercritic. Rata de eliberare a medicamentului poate fi definită pe baza proprietăților aerogelului. [18]

Aerogelurile din carbon sunt utilizate în construcția supercondensatorilor mici. În raport cu suprafața mare a aerogelului, acești condensatori pot atinge dimensiuni de 2000 până la 5000 de ori mai mici decât cele ale condensatoarelor electrolitice clasificabile în mod similar. [19] Supercondensatoarele care utilizează aerogeluri pot avea valori de impedanță foarte mici în comparație cu supercondensatoarele normale și pot atrage sau produce vârfuri de curent foarte mari.

Calcogelurile ar putea fi utilizate pentru a îndepărta metalele grele precum mercurul, plumbul și cadmiul din apele poluate.

Airgel este utilizat pentru a introduce tulburare în heliu-3 superfluid . [20]

În ultima vreme, această substanță este utilizată și ca componentă la fabricarea rachetelor de tenis și, în special, a fost adoptată de producătorul Dunlop . [21]

Notă

  1. ^(RO) IUPAC Gold Book, "aerogel"
  2. ^ Taher, Abul Oamenii de știință salută „fumul înghețat” ca material care va schimba lumea . Articol de stiri. Times Online (19 august 2007)
  3. ^ Kistler SS (1931). „Aerogeluri și jeleuri expandate coerente”. Natura 127 (3211): 741
  4. ^ Kistler SS (1932). „Aerogeluri extinse coerente”. Jurnalul de chimie fizică 36 (1): 52 - 64
  5. ^ Pekala RW (1989). „Aerogeluri organice din policondensarea resorcinolului cu formaldehidă”. Journal of Material Science 24 (9): 3221-3227
  6. ^ a b c Termenii Aerogels [ link rupt ]
  7. ^ a bCRC Handbook of Chemistry and Physics Arhivat 24 iulie 2017 la Internet Archive ., Ediția a 85-a secțiunea 12, p. 227
  8. ^ Aerogelul Lab stabilește record mondial , la llnl.gov . Adus la 24 ianuarie 2008 (arhivat din original la 22 septembrie 2008) .
  9. ^ DE Mirele, abreviate de la proprietățile nucleare atomice
  10. ^ Un aerogel fluorescent pentru captarea și identificarea prafului interplanetar și interstelar
  11. ^ D. Biello, Filtru de metale grele fabricat în mare parte din aer Arhivat la 26 septembrie 2007 la Internet Archive ., Scientific American
  12. ^ S. Bag și colab., Porous Semiconducting Gels and Aerogels from Chalcogenide Clusters , Science 07-07-2007 : Vol. 317. nr. 5837, pp. 490-493, DOI: 10.1126 / science.1142535
  13. ^ Formarea aerogelului cu gravitate zero
  14. ^ Airgel - De la Aerospace la Apparel , pe sti.nasa.gov . Adus la 1 octombrie 2009 (arhivat din original la 20 noiembrie 2009) .
  15. ^ Spațiu în garderoba ta?
  16. ^ Prevenirea evacuării căldurii printr-o izolație numită „aerogel” , pe marsrovers.jpl.nasa.gov . Adus la 25 aprilie 2019 (Arhivat din original la 7 aprilie 2014) .
  17. ^ Utilizări de la pământ la materiale spațiale , pe aero.org . Adus la 25 ianuarie 2008 (arhivat din original la 30 septembrie 2007) .
  18. ^ I. Smirnova, S. Suttiruengwong, W. Arlt, Studiu de fezabilitate a aerogelurilor de silice hidrofilă și hidrofobă ca sisteme de livrare a medicamentelor , Journal of Non-Crystalline Solids 350 : 54-60 (2004). doi: 10.1016 / j.jnoncrysol.2004.06.031.
  19. ^ Condensatoarele Airgel acceptă aplicații de impulsuri, reținere și alimentare principală
  20. ^ WP Halperin, JA Sauls, Helium-Three in Airgel , Departamentul de Fizică și Astronomie, Universitatea Northwestern, Evanston, Illinois.
  21. ^ Dunlop Sports introduce racheta de tenis Airgel

Bibliografie

  • Misiunea de întoarcere a cometei Stardust a NASA pe AIRGEL .
  • J. Fricke, A. Emmerling (1992). „Aerogels-Pregătire, proprietăți, aplicații”. Structură și lipire 77 : 37-87.
  • N. Hüsing, U. Schubert (1998). „Aerogeluri - Materiale aerisite: chimie, structură și proprietăți”. Angewandte Chemie International Edition 37 (1/2): 22-196.
  • Pierre AC, Pajonk GM (2002). „Chimia aerogelurilor și aplicațiile lor”. Recenzii chimice 102 (11): 4243 - 4266.
  • Ellen Lupton, Jennifer Tobias (Princeton Architectural Press, 2002). "Piele: suprafață, substanță + design": 180.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe