V tej objavi na blogu si bomo ogledali načela in strukturo aerogela, izdelanega s tehnologijo superkritičnega sušenja, ter njegove potencialne uporabe v različnih panogah.
Ali lahko obstaja trdna snov, ki je lahka kot zrak? Ali lahko obstaja snov, ki je sestavljena iz 99 % zraka in 1 % trdne snovi? Predstavljajte si, da bi razbili ves beton v stavbi in pustili le jekleno armaturo, ali pa bi ustvarili gel maso, ki je 99 % tekoča, in nato odstranili vso tekočino. Če pa bi poskušali odstraniti tekočino znotraj te trdne snovi tako, da bi jo posušili kot mokro brisačo ali uporabili toploto kot vrelo vodo v loncu, bi se mehka in gnjecljiva masa posušila v pest prahu.
Leta 1931 je Stevu Kistlerju v laboratoriju v Kaliforniji uspelo ustvariti snov, napolnjeno z 99 % zraka, kar se je prej zdelo nemogoče, z uporabo posebne metode sušenja. Razlog, zakaj velika kepa ne more ohraniti svoje oblike in se spremeni v pest prahu, je ta, da ko se tekočina v njej spremeni v plin, ne more prenesti površinske napetosti in kapilarne sile, ki deluje na trdno ogrodje, in se razpade. Superkritično sušenje je metoda sušenja, ki je to omejitev v bistvu premagala.
Tako kot voda zmrzne pri 0 stopinjah Celzija in zavre pri 100 stopinjah Celzija, snovi dosežejo superkritično stanje, ko presežejo določeno temperaturo in tlak, imenovan superkritična temperatura. Snovi v superkritičnem stanju, ki je hkrati tekočini podoben plin in plinu podobna tekočina, ni mogoče opredeliti kot eno od teh dveh stanj in snov ne občuti več nobene spremembe stanja med njima. Z drugimi besedami, če se tekočina v trdni snovi najprej pretvori v superkritično stanje in nato v plin, trdno ogrodje ostane nespremenjeno in vsa tekočina v notranjosti se lahko nadomesti s plinom. S to metodo superkritičnega sušenja je bil ustvarjen nov material, imenovan aerogel, poimenovan "zamrznjen zrak", pri čemer je ostalo le ogrodje trdne snovi.
Predstavljajte si mehko žele v obliki medvedka (mokri gel), ki je bil ves dan namočen v vodi. Zdaj pa si predstavljajte, da iz njega odstranite vso vodo in ostane le lahko, votlo ogrodje, ki komajda drži obliko. Aerogel, ki je večinoma prazen prostor, je tako lahek, da ga ne morete čutiti, ko ga držite v dlani. Poleg lahkotnosti ima aerogel še druge zanimive lastnosti.
Ena najpomembnejših značilnosti aerogela, ki ima zelo edinstveno strukturo, ki jo sestavlja trdno ogrodje, sestavljeno iz 90–99.8 % zračnih žepov, je njegova zelo nizka toplotna prevodnost. To je zato, ker ima zelo majhne zračne luknje (mezopore) velikosti 2–40 nm, zato delci zraka, ki prehajajo skozi luknje, ne morejo več prosto prenašati toplote, in ostane le ogrodje, ki ima zelo nizko gostoto, zato se skoraj ne prenaša sevalna toplota. Področje, kjer se te prednosti maksimizirajo in komercializirajo, je uporaba silicijevega (SiO2) aerogela kot superizolacijskega materiala.
Pravzaprav se pri prenovi zgodovinskih stavb uporablja kot izolacija v notranjih stenah, aerogel, pomešan z drugimi organskimi materiali, pa se preoblikuje v odejo (aerogelna odeja) in se uporablja kot izolacija v različnih delih stavbe. NASA je prvič uporabila silicijev aerogel kot superizolacijski material, da bi prenesel ekstremne temperature Marsa leta 1996 na roverju Sojourner, raziskovalcu terena na vesoljskem plovilu Mars Pathfinder. Kasneje, leta 2003, je bil silicijev aerogel, pomešan z grafitom, uporabljen v roverjih Mars Exploration Rover Spirit in Opportunity za dodatno povečanje izolacijskega učinka.
Aerogel, ki je sestavljen iz izjemno majhnih delcev in zračnih por na nanometrski ravni, ima prednost, da ima v primerjavi z drugimi trdnimi materiali veliko reakcijskih mest, saj je njegova površina v stiku z zunanjostjo strukturno maksimirana. Mnogi znanstveniki so to opazili in hitijo z raziskavami visoko reaktivnih aerogelov kovinskih oksidov. Reprezentativni primeri vključujejo aerogel Al2O3, ki se lahko uporablja kot superkondenzator z uporabo pojava polnjenja, ki ga povzročajo površinske kemične reakcije, in aerogel YSZ (z Y2O3 dopiran ZrO2), ki se uporablja kot anodni material za gorivne celice.
Poleg tega aktivno potekajo raziskave funkcionalnih aerogelov, ki se lahko uporabljajo na različnih področjih, kot so kardiovaskularne implantabilne naprave, biomateriali, kot so sistemi za dovajanje zdravil, in ultrahitri absorberji jedrskih delcev za vesoljska plovila. Vsestranskost aerogelov vodi do inovativnih sprememb v različnih panogah.
Kljub nedavnemu odkritju je aerogel zaradi svojih edinstvenih strukturnih značilnosti, kot so ultra nizka gostota, maksimirana površina in visoka poroznost nad 95 %, česar ni mogoče najti v nobenem obstoječem trdnem materialu, pritegnil številne raziskovalce kot eden od sanjskih materialov, ki bodo spremenili prihodnost. Na podlagi napredka v tehnologijah sinteze in predelave se pričakuje, da bo aerogel v prihodnosti prinesel velike inovacije v še širšem spektru uporab.
Še posebej se pričakuje, da bo močno prispeval k okoljskim vprašanjem in energetski učinkovitosti. Odlična toplotna izolacijska sposobnost aerogela lahko igra pomembno vlogo pri zmanjševanju porabe energije v stavbah ter stroškov ogrevanja in hlajenja. Poleg tega se bo aerogel zaradi svojega potenciala za uporabo v različnih panogah uveljavil kot pomemben material za trajnostni razvoj.
