Tässä blogikirjoituksessa tarkastelemme superkriittisen kuivaustekniikan avulla valmistetun aerogeelin periaatteita ja rakennetta sekä sen mahdollisia sovelluksia eri teollisuudenaloilla.
Voiko olla olemassa kiinteää ainetta, joka on yhtä kevyt kuin ilma? Voiko olla olemassa ainetta, joka koostuu 99 % ilmasta ja 1 % kiinteästä aineesta? Kuvittele, että rakennuksen kaikki betoni murretaan ja jäljelle jää vain teräsvahvike, tai että luodaan geelimäinen massa, joka on 99 % nestettä, ja sitten poistetaan kaikki neste. Jos kuitenkin yrität poistaa nesteen tämän kiinteän aineen sisältä kuivaamalla sen kuten märän pyyhkeen tai lämmittämällä sitä kuten kiehuvaa vettä kattilassa, pehmeä ja löysä massa kuivuu kouralliseksi jauheeksi.
Vuonna 1931 Steve Kistler onnistui Kalifornian laboratoriossa luomaan 99-prosenttisesti ilmalla täytetyn aineen, mikä oli aiemmin tuntunut mahdottomalta, käyttämällä erityistä kuivausmenetelmää. Syy siihen, miksi suuri möykky ei säilytä muotoaan ja muuttuu kouralliseksi jauheeksi, on se, että kun sen sisällä oleva neste muuttuu kaasuksi, se ei kestä kiinteään runkoon vaikuttavaa pintajännitystä ja kapillaarivoimaa ja hajoaa. Ylikriittinen kuivaus on kuivausmenetelmä, joka on olennaisesti voittanut tämän rajoituksen.
Aivan kuten vesi jäätyy 0 celsiusasteessa ja kiehuu 100 celsiusasteessa, aineet saavuttavat superkriittisen tilan, kun ne ylittävät tietyn lämpötilan ja paineen, jota kutsutaan superkriittiseksi lämpötilaksi. Superkriittisessä tilassa olevaa ainetta, joka on sekä nestemäinen kaasu että kaasumainen neste, ei voida määritellä kummaksikaan, eikä aine enää tunne mitään olomuodon muutosta näiden kahden välillä. Toisin sanoen, jos kiinteän aineen sisällä oleva neste ensin muutetaan superkriittiseen tilaan ja sitten kaasuksi, kiinteän aineen runko pysyy muuttumattomana ja kaikki sisällä oleva neste voidaan korvata kaasulla. Tätä superkriittistä kuivausmenetelmää käyttämällä luotiin uusi materiaali nimeltä aerogeeli, lempinimeltään "jäätynyt ilma", jolloin jäljelle jäi vain kiinteän aineen runko.
Kuvittele pehmeä, karhunmuotoinen hyytelö (märkägeeli), jota on liotettu vedessä koko päivän. Kuvittele nyt, että siitä poistetaan kaikki vesi, jolloin jäljelle jää vain kevyt, ontto luuranko, joka tuskin pitää muotoaan. Aerogeeli, joka on enimmäkseen tyhjää tilaa, on niin kevyttä, ettet tunne sitä pitäessäsi sitä kämmenelläsi. Keveytensä lisäksi aerogeelillä on muita mielenkiintoisia ominaisuuksia.
Yksi aerogeelin merkittävimmistä ominaisuuksista on sen ainutlaatuinen rakenne, joka koostuu kiinteästä rungosta, josta 90–99.8 % on ilmataskuja. Tämän rakenteen vuoksi siinä on hyvin pieniä, 2–40 nm:n kokoisia ilmareikiä (mesohuokosia). Näiden reikien läpi kulkevat ilmahiukkaset eivät enää pysty siirtämään lämpöä vapaasti. Jäljelle jää vain runko, jonka tiheys on hyvin alhainen, joten säteilylämpöä ei siirry juurikaan. Näitä etuja maksimoidaan ja kaupallistetaan piidioksidia (SiO2) käyttävällä aerogeelillä supereristävänä materiaalina.
Itse asiassa historiallisten rakennusten remontoinnissa sitä käytetään eristeenä seinien sisällä, ja muiden orgaanisten materiaalien kanssa sekoitettu aerogeeli valmistetaan huovaksi (aerogeelihuopa) ja sitä käytetään eristeenä rakennuksen eri osissa. NASA käytti piidioksidiaerogeeliä ensimmäisen kerran supereristävänä materiaalina kestämään Marsin äärimmäisiä lämpötiloja vuonna 1996 Sojourner-mönkijässä, joka oli Mars Pathfinder -luotaimen maastontutkimuslaite. Myöhemmin, vuonna 2003, piidioksidiaerogeeliä ja grafiittia käytettiin Mars Exploration Rover Spiritissä ja Opportunityssä eristysvaikutuksen maksimoimiseksi entisestään.
Aerogeelillä, joka koostuu erittäin pienistä nanometritason hiukkasista ja ilmahuokosista, on etuna se, että sillä on useita reaktiokohtia verrattuna muihin kiinteisiin materiaaleihin, koska sen ulkopuolen kanssa kosketuksissa oleva pinta-ala on rakenteellisesti maksimoitu. Monet tiedemiehet ovat huomanneet tämän ja kiirehtivät tutkimaan erittäin reaktiivisia metallioksidiaerogeelejä. Hyviä esimerkkejä ovat Al2O3-aerogeeli, jota voidaan käyttää superkondensaattorina hyödyntäen pintakemiallisten reaktioiden aiheuttamaa varautumisilmiötä, ja YSZ (Y2O3-seostettu ZrO2) -aerogeeli, jota käytetään polttokennojen anodimateriaalina.
Lisäksi aktiivisesti tutkitaan funktionaalisia aerogeelejä, joita voidaan käyttää eri aloilla, kuten sydän- ja verisuonijärjestelmään istutettavissa laitteissa, biomateriaaleissa, kuten lääkeaineiden annostelujärjestelmissä, ja avaruusalusten erittäin nopeissa ydinhiukkasten absorboinnissa. Aerogeelien monipuolisuus johtaa innovatiivisiin muutoksiin eri teollisuudenaloilla.
Vaikka aerogeeli on äskettäin löydetty, se on houkutellut lukuisia tutkijoita yhtenä tulevaisuutta mullistavista unelmamateriaaleista ainutlaatuisten rakenteellisten ominaisuuksiensa, kuten erittäin alhaisen tiheyden, maksimoidun pinta-alan ja yli 95 %:n huokoisuuden ansiosta, joita ei löydy mistään olemassa olevista kiinteistä materiaaleista. Synteesi- ja prosessointiteknologioiden edistymisen ansiosta aerogeelin odotetaan tuovan mukanaan merkittäviä innovaatioita entistä laajemmassa sovellusalueessa tulevaisuudessa.
Erityisesti sen odotetaan edistävän merkittävästi ympäristökysymyksiä ja energiatehokkuutta. Aerogeelin erinomaisella lämmöneristyskyvyllä voi olla merkittävä rooli rakennusten energiankulutuksen sekä lämmitys- ja jäähdytyskustannusten vähentämisessä. Lisäksi, koska sitä voidaan käyttää eri teollisuudenaloilla, aerogeelistä tulee tärkeä materiaali kestävän kehityksen kannalta.
