W 1931 roku Kistler oddzielił ciecz od ciała stałego, stosując alkoholową technikę suszenia nadkrytycznego, dzięki czemu zapobiegło to kurczeniu się i zapadaniu struktury gazu, czego efektem był aerożel.
Definicja aerożelu
Aerożel to lekki, nanoporowaty, amorficzny materiał stały, w którym nanocząsteczki mikroorganizmów są ze sobą połączone w celu utworzenia nanometrycznej struktury porowatej sieci, a szkielet sieciowy wypełniony jest dużą ilością gazowych ośrodków dyspersyjnych.
Aerożele to nie tylko materiał funkcjonalny, ale także nowy stan materii. Stan aerożelu zasadniczo różni się od innych stanów materii wieloma właściwościami. Ma ustalony rozmiar i kształt jak materia stała, ale jego pozorna gęstość może wynosić od maksymalnie 1 g/cm³ do 0.001 g/cm³ (niższa niż gęstość powietrza); jednocześnie ma porowatą strukturę przypominającą gąbkę, z wieloma właściwościami mikroskopowymi (szkielet w skali nano), makroskopowymi (materia skondensowana) i mezoskopowymi (struktura wielopoziomowa i fraktalna), dzięki czemu aerożele posiadają wiele unikalnych właściwości. Wykazuje bardzo niską przewodność cieplną, bardzo niski moduł sprężystości, bardzo niską częstotliwość fononów, bardzo niski współczynnik załamania światła, niską stałą dielektryczną, bardzo niską prędkość dźwięku, dużą powierzchnię właściwą, bardzo szeroki rozkład gęstości i współczynnika załamania światła itp.
Klasyfikacja aerożeli
Istnieje szeroka gama aerożeli, obejmująca niemal wszystkie systemy materiałowe. Ogólnie rzecz biorąc, według składu chemicznego, można je podzielić na aerożele organiczne, aerożele nieorganiczne i aerożele kompozytowe itp. Aerożele można również klasyfikować na systemy krzemowe, węglowe, siarkowe, tlenkowe i metaliczne według ich głównych składników.
Status i rola aerożeli
Naukowcy twierdzą, że aerożele zmienią świat.
Aerogel został wymieniony jako jeden z 10 najgorętszych tematów naukowych i technologicznych w 250. wydaniu amerykańskiego czasopisma Science. 20 sierpnia 2007 r. The Times poinformował, że aerogel jest najlżejszym ciałem stałym na świecie, które może wytrzymać siłę wybuchu 1 kg dynamitu i chronić przed ciepłem palnika powyżej 1300°C. Naukowcy badają zastosowanie aerogelu we wszystkim, od superizolowanych skafandrów kosmicznych po superkondensatory, katalizatory i rakiety tenisowe nowej generacji. Aerogel obiecuje rywalizować z generacjami legendarnych materiałów, takich jak żywica fenolowa z lat 1930., włókno węglowe z lat 1980. i silikon z lat 1990.
Aerożel został kilkakrotnie wpisany do Księgi Rekordów Guinnessa jako najlżejszy materiał stały na świecie. Aerożel ma również bardzo niską przewodność cieplną i współczynnik załamania światła i jest 39 razy bardziej izolujący niż najlepsze włókna szklane. Aerożel został użyty do izolacji termicznej rosyjskiej stacji kosmicznej Mir i amerykańskiego łazika Mars Pathfinder, a także odegrał już kluczową rolę w przemyśle lotniczym.
Historia rozwoju aerożelu
W 1931 roku Kistler na Uniwersytecie Stanforda w USA po raz pierwszy przygotował aerożele.
W 1985 roku Instytut Fizyki Uniwersytetu w Würzburgu w Niemczech zorganizował pierwsze sympozjum poświęcone aerożelom, znane jako ISA.
Od 1993 roku aerożele są wykorzystywane do izolacji skafandrów kosmicznych, statków kosmicznych i wahadłowców kosmicznych.
W 2002 roku założono spółkę Aspen Aerogel należącą do NASA, której celem było opracowywanie i produkcja aerożeli.
2004, badania nad aerożelem przeprowadzone przez krajowe chińskie instytuty badawcze.
W 2006 roku chińskie firmy produkujące aerożele rozpoczęły prace nad ich produkcją.
2017, Chiny ogłosiły, GB/T 34336-201, Nieporowate kompozytowe produkty izolacyjne z aerożelu
W 2021 r. Rada Państwa wydała „Plan działania na rzecz osiągnięcia szczytowego poziomu emisji dwutlenku węgla do 2023 r.”, mający na celu przyspieszenie badań i rozwoju włókien węglowych, aerożelu, stali specjalnej i innych podstawowych materiałów.
Kluczowe właściwości aerożeli
(1) Ultralekki. Aerożel jest najmniej gęstym ciałem stałym na świecie, o minimalnej gęstości jednej szóstej masy powietrza. Zakres zmian gęstości wynosi zazwyczaj 0.001~1 g/cm³.
(2) Wysoka porowatość i duża powierzchnia właściwa. Porowatość wynosi 80%~99.9%, powierzchnia właściwa wynosi 200~1000m2/g, a typowy rozmiar porów wynosi 1~100nm.
(3) Super izolacja termiczna. Cienka struktura nano-sieciowa aerożelu skutecznie ogranicza rozprzestrzenianie się lokalnego wzbudzenia cieplnego, a jego przewodnictwo cieplne w stanie stałym jest o 2~3 rzędy wielkości niższe niż odpowiadającego mu materiału szklistego.
Zasada działania izolacji termicznej aerożelu
Zmniejszone przenoszenie ciepła: Nieskończona liczba nanocząstek w aerożelu tworzy szkielet siatkowy, a ciepło może przepływać tylko wzdłuż nieskończonej liczby nanocząstek. Przepływ ciepła może być prowadzony tylko wzdłuż nieskończonej liczby nanocząstek, co skutkuje niemal nieskończoną ścieżką przekazywania ciepła w ciele stałym. Przenoszenie ciepła w ciele stałym jest zredukowane do najniższego możliwego poziomu.
Hamowanie konwekcji cieplnej : Średnia wielkość porów aerożeli wynosi 20–40 nm, co jest wartością mniejszą od średniej wielkości porów cząsteczek gazu wynoszącej 69 nm. Ponadto cząsteczki gazu w porach tracą zdolność do swobodnego przemieszczania się, co sprawia, że konwekcja staje się niemal niemożliwa.
Zmniejszone promieniowanie cieplne : Ścianki porów utworzone przez nanocząsteczki w aerożelach działają jak osłony podczerwone, a nieskończona liczba osłon znacznie zmniejsza promieniowanie cieplne.
(4) Kataliza. Mały rozmiar cząstek, duża powierzchnia właściwa i niska gęstość aerożelu sprawiają, że aktywność i selektywność katalizatorów aerożelowych są znacznie wyższe niż w przypadku konwencjonalnych katalizatorów, a składniki aktywne mogą być bardzo równomiernie rozproszone w nośniku, a także ma doskonałą stabilność termiczną, co może skutecznie ograniczyć występowanie reakcji ubocznych.
(5) Izolacja akustyczna. Niska prędkość dźwięku aerożeli sprawia, że są one idealnym materiałem do opóźnień akustycznych lub izolacji akustycznej w wysokiej temperaturze. Zmienny zakres impedancji akustycznej aerożelu jest duży [103 ~ 107kg/(㎡-s)], co jest bardziej idealnym materiałem sprzęgającym opór akustyczny dla detektorów ultradźwiękowych. Opór akustyczny ceramiki piezoelektrycznej stosowanej w generatorach i detektorach ultradźwiękowych wynosi 1.5×107kg/(㎡-s), podczas gdy opór akustyczny powietrza wynosi tylko 400kg/(㎡-s). Zastosowanie aerożelu silikonowego o grubości 1/4 długości fali i gęstości około 0.3 g/cm³ jako materiału sprzęgającego opór akustyczny między ceramiką piezoelektryczną a powietrzem może zwiększyć intensywność dźwięku o 30 dB, poprawić wydajność transmisji fal akustycznych i zmniejszyć stosunek sygnału do szumu w zastosowaniach urządzeń.
(6) Wydajność filtracji. Nanostrukturyzowane aerożele mogą być również stosowane jako nowy typ wysoce wydajnego materiału do filtracji gazu. Ze względu na wyjątkowo dużą powierzchnię właściwą, aerożele są nazywane przez naukowców „supergąbkami” i idealnie nadają się do adsorpcji zanieczyszczeń w wodzie, wysysając ołów i rtęć z wody, co czyni je doskonałym materiałem do radzenia sobie z katastrofami ekologicznymi.
(7) Właściwości optyczne. Czysty aerożel SiO₂ jest przezroczysty i bezbarwny, a jego współczynnik załamania światła (1.006~1.06) jest bardzo zbliżony do współczynnika powietrza, co oznacza, że aerożel SiO₂ nie ma prawie żadnej straty odbicia światła padającego i może skutecznie przepuszczać światło słoneczne. Dlatego może być stosowany do produkcji szkła izolacyjnego i redukującego hałas.
Aby uzyskać więcej informacji lub Kartę charakterystyki substancji niebezpiecznej, skontaktuj się z nami za pośrednictwem poczty elektronicznej: [email protected] lub zadzwoń do nas pod numer: +86-28-8411-1861.
Niektóre zdjęcia i teksty są reprodukowane z Internetu, a prawa autorskie należą do oryginalnego autora. Jeśli doszło do naruszenia, prosimy o kontakt w celu usunięcia.