V tomto blogovém příspěvku se podíváme na principy a strukturu aerogelu vyrobeného pomocí technologie superkritického sušení a také na jeho potenciální využití v různých průmyslových odvětvích.
Může existovat pevný materiál, který je lehký jako vzduch? Může existovat materiál sestávající z 99 % vzduchu a 1 % pevné látky? Představte si, že rozbijete veškerý beton v budově a ponecháte pouze ocelovou výztuž, nebo vytvoříte gelovou hmotu, která je z 99 % tekutá, a poté veškerou tekutinu odstraníte. Pokud se však pokusíte odstranit tekutinu uvnitř této pevné látky vysušením jako mokrým ručníkem nebo zahřátím jako vroucí vodou v hrnci, měkká a vláčná hmota vyschne na hrst prášku.
V roce 1931 se Stevu Kistlerovi v kalifornské laboratoři podařilo vytvořit pomocí speciální metody sušení látku naplněnou z 99 % vzduchem, což se dříve zdálo nemožné. Důvod, proč si velká hrudka nedokáže udržet svůj tvar a změní se v hrst prášku, je ten, že když se kapalina uvnitř přemění na plyn, nedokáže odolat povrchovému napětí a kapilární síle působící na pevnou kostru a rozpadne se. Superkritické sušení je metoda sušení, která toto omezení v podstatě překonala.
Stejně jako voda mrzne při 0 stupních Celsia a vře při 100 stupních Celsia, látky dosahují superkritického stavu, když překročí určitou teplotu a tlak nazývaný superkritická teplota. Látku v superkritickém stavu, která je zároveň kapalinou podobnou plynu i kapalinou podobnou plynu, nelze definovat ani jako jeden z nich a látka již nepociťuje žádnou změnu skupenství mezi těmito dvěma. Jinými slovy, pokud se kapalina uvnitř pevné látky nejprve převede do superkritického stavu a poté se převede na plyn, kostra pevné látky zůstane nedotčena a veškerá kapalina uvnitř může být nahrazena plynem. Pomocí této metody superkritického sušení byl vytvořen nový materiál zvaný aerogel, přezdívaný „zmrzlý vzduch“, přičemž z pevné látky zbyla pouze kostra.
Představte si měkký želé (vlhký gel) ve tvaru medvěda, který byl celý den namočený ve vodě. Nyní si představte, že z něj odstraníte veškerou vodu a zůstane jen lehká, dutá kostra, která si sotva drží tvar. Aerogel, který je většinou prázdný prostor, je tak lehký, že ho v dlani necítíte. Kromě své lehkosti má aerogel i další zajímavé vlastnosti.
Jednou z nejpozoruhodnějších vlastností aerogelu, který má velmi unikátní strukturu sestávající z pevné kostry tvořené z 90–99.8 % vzduchových kapes, je jeho velmi nízká tepelná vodivost. Je to proto, že má velmi malé vzduchové otvory (mezopóry) o velikosti 2–40 nm, takže částice vzduchu procházející otvory již nemohou volně přenášet teplo a zůstává pouze kostra, která má velmi nízkou hustotu, takže se nepřenáší téměř žádné sálavé teplo. Oblastí, kde se tyto výhody maximalizují a komercializují, je použití aerogelu z oxidu křemičitého (SiO2) jako superizolačního materiálu.
Ve skutečnosti se při renovaci historických budov používá jako izolace uvnitř stěn a aerogel smíchaný s dalšími organickými materiály se vyrábí do deky (aerogelové deky) a používá se jako izolace v různých částech budovy. NASA poprvé použila křemičitý aerogel jako superizolační materiál, aby odolal extrémním teplotám Marsu, v roce 1996 na roveru Sojourner, terénním průzkumníku na kosmické lodi Mars Pathfinder. Později, v roce 2003, byl křemičitý aerogel smíchaný s grafitem použit v roverech Mars Exploration Rover Spirit a Opportunity k další maximalizaci izolačního účinku.
Aerogel, který se skládá z extrémně malých částic a vzduchových pórů na úrovni nanometrů, má oproti jiným pevným materiálům výhodu v tom, že má mnoho reakčních míst, protože jeho povrchová plocha v kontaktu s vnějším prostředím je strukturálně maximálně zvětšena. Mnoho vědců si toho všimlo a spěchá s výzkumem vysoce reaktivních aerogelů na bázi oxidů kovů. Mezi reprezentativní příklady patří aerogel Al₂O₃, který lze použít jako superkondenzátor využívající nabíjecí jev způsobený povrchovými chemickými reakcemi, a aerogel YSZ (Y₂O₃ dopovaný ZrO₂), který se používá jako anodový materiál pro palivové články.
Kromě toho aktivně probíhá výzkum funkčních aerogelů, které lze použít v různých oblastech, jako jsou kardiovaskulární implantabilní zařízení, biomateriály, jako jsou systémy pro podávání léků, a ultrarychlé absorbéry jaderných částic pro kosmické lodě. Všestrannost aerogelů vede k inovativním změnám v různých průmyslových odvětvích.
Navzdory svému nedávnému objevu přitahuje aerogel řadu výzkumníků jako jeden z materiálů snů, které změní budoucnost, a to díky svým jedinečným strukturním vlastnostem, jako je ultranízká hustota, maximální povrchová plocha a vysoká pórovitost přes 95 %, které nelze nalézt v žádném existujícím pevném materiálu. Na základě pokroku v technologiích syntézy a zpracování se očekává, že aerogel v budoucnu přinese významné inovace v ještě širší škále aplikací.
Zejména se očekává, že významně přispěje k řešení environmentálních problémů a energetické účinnosti. Vynikající tepelněizolační vlastnosti aerogelu mohou hrát hlavní roli při snižování spotřeby energie v budovách a nákladů na vytápění a chlazení. Kromě toho se aerogel díky svému potenciálu pro využití v různých průmyslových odvětvích etabluje jako důležitý materiál pro udržitelný rozvoj.
