Aerogélek (a lat. aer - levegő és gelatus - fagyasztott) - olyan anyagok osztálya, amelyek egy gél , amelyben a folyékony fázist teljesen felváltja a gáznemű. Az ilyen anyagok rekord alacsony sűrűséggel rendelkeznek, és számos egyedi tulajdonságot mutatnak: keménység, átlátszóság, hőállóság, rendkívül alacsony hővezető képesség stb. Gyakoriak az amorf szilícium-dioxidon , alumínium- oxidon , valamint króm- és ón-oxidokon alapuló aerogélek. Az 1990-es évek elején megszerezték az első szénalapú aerogélmintákat .
Az aerogélek a mezopórusos anyagok osztályába tartoznak , amelyekben az üregek a térfogat legalább 50% -át és általában 95-99% -át foglalják el, és a sűrűség 1-150 kg/m3 . A szerkezet szerint az aerogélek 2–5 nm méretű nanorészecskék faszerű hálózata, amelyek klaszterekbe és 100 nm méretű pórusokba egyesülnek .
Stephen Kistler vegyész nevéhez fűződik a találmány.a Pacific College -bólStocktonban ( Kalifornia , USA), akik 1931 -ben publikálták eredményeiket a Nature folyóiratban .
Kistler a gélben lévő folyadékot metanolra cserélte , majd a gélt nyomás alatt melegítette a metanol kritikus hőmérsékletének (240 °C) eléréséig. A metanol térfogatcsökkenés nélkül hagyta el a gélt; ennek megfelelően a gél „kiszárad”, szinte zsugorodás nélkül.
Érintésre az aerogélek könnyű, de szilárd habhoz hasonlítanak, hasonlóan a polisztirolhabhoz . Erős terhelés hatására az aerogél megreped, de általában nagyon erős anyag - egy aerogélminta a saját súlyának 2000-szeresét is elbírja. Az aerogélek, különösen a kvarcok, jó hőszigetelők. Nagyon higroszkóposak is .
Kinézetre a kvarc aerogélek áttetszőek. A faszerű struktúrákon a fény Rayleigh -féle szórása miatt visszavert fényben kékesnek, áteresztett fényben világossárgának tűnnek. Az alumínium ( Al 2 O 3 ), a cirkónium ( ZrO 2 ) és a titán ( TiO 2 ) oxidjain alapuló aerogélek hasonló optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Az egyéb fém-oxidokból származó aerogélek színe és átlátszósága eltérő lehet; tehát a vas-oxid aerogél átlátszatlan és a rozsdához hasonló színű , a vanádium -oxid aerogél átlátszatlan, olívazöld; a króm-oxid aerogél sötétzöld vagy sötétkék színű, a ritkaföldfémek oxidjain alapuló aerogélek pedig átlátszóak ( a szamárium-oxid sárga, a neodímium-oxid lila, a holmium- és az erbium -oxidok rózsaszínűek) [1] . A szén aerogélek mélyfeketék, a beeső fény 99,7%-át elnyelik.
A leggyakoribbak a kvarc aerogélek. Minimális sűrűségük 1 kg/m 3 (vákuum változat), ami 1000-szer kisebb, mint a víz sűrűsége, sőt 1,2-szer kisebb, mint a levegő sűrűsége (bár a feltüntetett sűrűség nem tartalmazza a levegő tömegét). szerkezete, mert az aerogélek nem lebegnek a levegőben). A szilárd anyagok közül csak a fém mikrorács (amelynek sűrűsége elérheti a 0,9 kg/m 3 [2] , ami egy tizeddel kisebb az aerogélek legjobb sűrűségértékeinél), a léggrafit (amelynek sűrűsége 0,18 kg/m 3 ) és a festékszóró( 0,16 kg/m 3 ). A kvarc aerogélek a lágy ultraibolya tartományban , a látható ( 300 nm -nél nagyobb hullámhosszúságú ) és az infravörös tartományban engedik át a fényt, azonban az infravörös tartományban 3500 cm – 1 és 1600 cm – 1 között hidroxil sávok találhatók. szilikagélek dehidratálásával nyert kvarc [3] . Rendkívül alacsony hővezető képességük ( ~0,017 W/(m K) légköri nyomású levegőben) miatt [4] , amely kisebb, mint a levegő hővezető képessége ( 0,024 W/(m K) ) építése hőszigetelő és hőtartó anyagként. A kvarc aerogél olvadáspontja 1200 °C.
A szén aerogélek ( aerografitok ) egymáshoz kovalensen kötődő nanorészecskékből állnak . Ezek elektromosan vezetőképesek, és kondenzátorokban elektródákként használhatók. A belső felület igen nagy területe (akár 800 m 2 /gramm ) miatt a szénaerogélek több ezer farad kapacitású szuperkondenzátorok (ionisztorok) gyártásában is alkalmazásra találtak . Jelenleg 10 4 F/gramm és 77 F/cm 3 mutatót értek el . A szén aerogélek a sugárzásnak csak 0,3%-át verik vissza a 250 nm és 14300 nm közötti hullámhossz-tartományban , így hatékonyan nyelték el a napfényt.
Katalizátorként alumínium - oxidból készült aerogélt használnak más fémek hozzáadásával . Gadolínium és terbium adalékokkal ellátott alumínium - oxid aerogélek alapján a NASA kifejlesztett egy nagy sebességű ütközésérzékelőt: a részecske felülettel való ütközésének pontján fluoreszcencia lép fel, amelynek intenzitása az ütközési sebességtől függ.
A fenti egyedi tulajdonságok miatti számos műszaki alkalmazás mellett az aerogél leginkább a Stardust projektben való felhasználásáról ismert, mint a kozmikus por megkötésére szolgáló anyag .
Mivel az aerogélek törésmutatója a gáznemű és folyékony (szilárd) anyagok törésmutatói között van, az aerogélt sugárzóként használják a töltött részecskék Cherenkov detektoraiban .
Az aerogélek gáz- és folyadékszűrőként használhatók.
Az alumínium nanorészecskéket tartalmazó vas-oxid alapú aerogél robbanóanyagként szolgálhat (az E. Lawrence-ről elnevezett Livermore National Laboratory fejlesztése , USA).
2006 elején néhány vállalat, például a United Nuclear [5] bejelentette, hogy megkezdi az aerogél értékesítését szervezetek és magánszemélyek számára. A minta méretétől és alakjától függően az ár 25 dollártól (töredékek) és 125 dollárig terjed (egy darab, amely elfér a tenyerében).
Jelenleg az aerogélt hőszigetelő anyagok gyártására használják ipari alkalmazásokhoz.
Az Alison Airgel nagy teljesítményű aerogél alapú hőszigetelő anyagok kínai gyártója.
| Az anyag termodinamikai állapotai | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fázis állapotok |
| ||||||||||||||||
| Fázisátmenetek |
| ||||||||||||||||
| Diszpergált rendszerek |
| ||||||||||||||||
| Lásd még | |||||||||||||||||