Aerogeler (fra lat. aer - luft og gelatus - frosset) - en klasse af materialer, der er en gel , hvor den flydende fase er fuldstændig erstattet af den gasformige. Sådanne materialer har en rekordlav massefylde og demonstrerer en række unikke egenskaber: hårdhed, gennemsigtighed, varmebestandighed, ekstrem lav varmeledningsevne osv. Aerogels baseret på amorf siliciumdioxid , aluminiumoxid samt chrom- og tinoxider er almindelige. I begyndelsen af 1990'erne blev de første kulstofbaserede aerogelprøver opnået .
Aerogeler tilhører klassen af mesoporøse materialer , hvor hulrummene optager mindst 50%, og som regel 95-99% af volumenet, og tætheden varierer fra 1 til 150 kg/m3 . Ifølge strukturen er aerogeler et trælignende netværk af nanopartikler på 2-5 nm i størrelse kombineret i klynger og porer op til 100 nm i størrelse .
Kemiker Stephen Kistler er krediteret med opfindelsen.fra Pacific Collegei Stockton , Californien , USA, som offentliggjorde deres resultater i 1931 i tidsskriftet Nature .
Kistler erstattede væsken i gelen med methanol og opvarmede derefter gelen under tryk, indtil den kritiske temperatur for methanol (240 °C) var nået. Methanol forlod gelen uden at falde i volumen; derfor "tørrer gelen ud", næsten uden at krympe.
Ved berøring ligner aerogel let, men fast skum, svarende til polystyrenskum . Ved hård belastning revner aerogel, men generelt er det et meget stærkt materiale - en aerogelprøve kan modstå en belastning på 2000 gange sin egen vægt. Aerogeler, især kvarts, er gode termiske isolatorer. De er også meget hygroskopiske .
I udseende er kvarts aerogeler gennemskinnelige. På grund af Rayleigh-spredningen af lys på trælignende strukturer fremstår de blålige i reflekteret lys og lysegule i transmitteret lys. Aerogeler baseret på oxider af aluminium ( Al 2 O 3 ), zirconium ( ZrO 2 ) og titanium ( TiO 2 ) har lignende optiske egenskaber. Aerogeler fra andre metaloxider kan have forskellige farver og gennemsigtighed; så jernoxidaerogel er uigennemsigtig og har en farve, der ligner rust , vanadiumoxidaerogel er uigennemsigtig, olivengrøn; chromoxid- aerogel har en mørkegrøn eller mørkeblå farve, og aerogeler baseret på oxider af sjældne jordarters metaller er gennemsigtige ( samariumoxid er gult, neodymoxid er lilla, holmium- og erbiumoxider er lyserøde) [1] . Carbon aerogeler er dyb sorte og absorberer 99,7 % af det indfaldende lys.
De mest almindelige er kvarts aerogeler. Deres mindste massefylde er 1 kg/m 3 (vakuumversion), hvilket er 1000 gange mindre end densiteten af vand og endda 1,2 gange mindre end densiteten af luft (selvom den angivne massefylde ikke inkluderer vægten af luften inkluderet i struktur, fordi aerogeler ikke flyder i luften). Blandt faste stoffer kun metalmikrogitter (hvis densitet kan nå 0,9 kg/m 3 [2] , hvilket er en tiendedel mindre end de bedste densitetsværdier for aerogel), luftgrafit (hvis densitet er 0,18 kg/m 3 ) og airbrush( 0,16 kg/m3 ) . Kvartsaerogel transmitterer lys i det bløde ultraviolette område, det synlige område (med en bølgelængde større end 300 nm ), og det infrarøde område, men i det infrarøde område er der hydroxylbånd på 3500 cm – 1 og 1600 cm – 1 typisk for kvarts opnået ved dehydrering af silicageler [3] . På grund af deres ekstremt lave varmeledningsevne ( ~0,017 W/(m K) i luft ved atmosfærisk tryk), [4] , som er mindre end luftens varmeledningsevne ( 0,024 W/(m K) ), bruges de i konstruktion som varmeisolerende og varmeholdende materialer. Smeltepunktet for kvartsaerogel er 1200 °C.
Kulstofaerogeler ( aerografitter ) er sammensat af nanopartikler, der er kovalent bundet til hinanden. De er elektrisk ledende og kan bruges som elektroder i kondensatorer. På grund af det meget store areal af den indre overflade (op til 800 m 2 / gram ) har kulstofaerogel fundet anvendelse i produktionen af superkondensatorer ( ionistorer ) med en kapacitet på tusindvis af farads . På nuværende tidspunkt er der opnået indikatorer på 10 4 F/gram og 77 F/cm 3 . Kulstofaerogeler reflekterer kun 0,3% af strålingen i bølgelængdeområdet fra 250 nm til 14300 nm , hvilket gør dem til effektive absorbere af sollys.
Aluminiumoxidaerogel fremstillet af aluminiumoxid med tilsætning af andre metaller anvendes som katalysatorer . På basis af aluminiumoxidaerogeler med tilsætningsstoffer af gadolinium og terbium udviklede NASA en højhastighedskollisionsdetektor: ved kollisionspunktet for en partikel med en overflade opstår fluorescens , hvis intensitet afhænger af kollisionshastigheden.
Ud over de mange tekniske anvendelser på grund af ovenstående unikke egenskaber, er aerogel bedst kendt for sin brug i Stardust-projektet som et materiale til at fange kosmisk støv .
Da aerogels brydningsindeks ligger mellem brydningsindekserne for gasformige og flydende (faste) stoffer, bruges aerogel som radiator i Cherenkov-detektorer af ladede partikler.
Aerogeler kan bruges som gas- og væskefiltre.
En aerogel baseret på jernoxid med aluminium nanopartikler kan tjene som et sprængstof (udvikling af Livermore National Laboratory opkaldt efter E. Lawrence , USA).
I begyndelsen af 2006 annoncerede nogle virksomheder, såsom United Nuclear [5] , starten på salget af aerogel til organisationer og enkeltpersoner. Afhængigt af prøvens størrelse og form varierer prisen fra $25 (fragmenter) til $125 (et stykke, der passer i din håndflade).
I øjeblikket bruges aerogel til fremstilling af varmeisolerende materialer til industrielle anvendelser.
Alison Aerogel er en kinesisk producent af højtydende aerogel-baserede termiske isoleringsmaterialer.
| Materiens termodynamiske tilstande | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fasetilstande |
| ||||||||||||||||
| Faseovergange |
| ||||||||||||||||
| Spred systemer | |||||||||||||||||
| se også | |||||||||||||||||