Aerogel:opmerkelijk isolatiemateriaal van de toekomst

We zitten midden in een nieuwe race om de ruimte te verkennen, en nieuwe materialen lopen voorop in technologische vooruitgang . Overweeg de behoeften van een ruimtepak. Het moet de astronaut beschermen tegen de extreme temperaturen van de ruimte, maar toch zo dun en licht mogelijk zijn om de wendbaarheid te bevorderen.

NASA ontwikkelde aerogel-isolatiematerialen voor gebruik bij verkenning van de ruimte , maar de laatste jaren zijn aerogels commercieel verkrijgbaar en vinden toepassingen op tal van andere gebieden.

Aerogels zijn geavanceerde materialen die, dankzij hun ultraporeuze structuur, ingenieurs in staat stellen om niet alleen nieuwe thermische isolatie voor ruimtepakken en voertuigen te ontwerpen , maar ook filters, batterijen, zonnecollectoren en meer .

"Aerogels" zijn echter geen soort materiaal . Ze zijn eerder een speciale vorm van vast dat gemaakt kan worden van silica, polymeren, oxiden, koolstof en andere materialen . Hoewel aerogels solide zijn, bevatten ze zoveel kleine holtes of "poriën", dat ze meestal uit lucht bestaan.

In dit artikel zullen we de volgende vragen beantwoorden:

• Wat is een aerogel?
• Hoe maak je aerogels?
• Wat zijn de belangrijkste eigenschappen van aerogels?
• Wat zijn de toepassingen van aerogels?

Wat is een aerogel?

Aerogels zijn ultraporeuze materialen , wat betekent dat hoewel ze stevig zijn, ze vol zitten met kleine met lucht gevulde gaatjes poriën genoemd. Die poriën zijn de sleutel tot de unieke eigenschappen van aerogels . Hoewel veel materialen poreus zijn, zoals schuim en bepaalde keramiek, zijn aerogels een extreem geval.

In aerogels vormen poriën het grootste deel van het materiaal , wat resulteert in een ultralicht vast materiaal . De poriën in aerogels zijn ook extreem klein, veel kleiner dan een mensenhaar en te klein om met het blote oog te zien. Als gevolg hiervan zijn aerogels zo licht en doorschijnend dat ze bijnamen hebben als "solide wolk ” en “bevroren rook ”.

Wat zijn de belangrijkste eigenschappen van aerogels?

Aerogels zijn zo poreus dat tot 95% van hun volume uit lucht bestaat , waardoor ze een verscheidenheid aan ongebruikelijke eigenschappen . krijgen . Een daarvan is het feit dat ze te midden van de lichtste materialen zijn die ooit zijn gemaakt of ontdekt , waardoor ze vooral handig zijn in ruimtevaarttoepassingen waar gewichtsbesparing essentieel is.

De eigenschappen van Aerogels zijn onder meer:

• Extreem lage dichtheid (zie een Matmatch-zoekopdracht voor lage dichtheid)
• Zeer lage thermische geleidbaarheid (zie een Matmatch-zoekopdracht voor lage thermische geleidbaarheid)
• Grote oppervlakte voor katalytische of elektrochemische reacties
• Doorschijnendheid (Bekijk een Matmatch-zoekopdracht voor optische transmissie)

De sleutel tot deze unieke eigenschappen is het feit dat aerogels niet alleen zeer poreus zijn , maar de poriën zijn ook extreem klein – te klein om met het menselijk oog te zien. Dit betekent dat aerogels niet alleen profiteren van de lage thermische geleidbaarheid van de lucht in de poriën, maar ook de lucht kan niet gemakkelijk stromen , wat hun capaciteiten als thermische isolatoren verder verbetert .

Hoe maak je aerogels?

Ondanks hun naam zijn aerogels geen gels , ze zijn zeer poreuze vaste stoffen die meestal uit lucht bestaan.Aerogels beginnen als een vloeistof , worden omgezet in een gel, waarna de vloeistof wordt verwijderd. Hun unieke poriestructuren worden gecreëerd door de structuren te behouden die worden gecreëerd wanneer kleine deeltjes in de vloeibare fase aan elkaar worden gehecht. (Zie een Matmatch-zoekopdracht voor kleine deeltjesgrootte)

De truc is om de vloeistof te verwijderen met behoud van de ruimte tussen de deeltjes . Die ruimtes worden de poriën in de aerogel.

De meest voorkomende aerogels zijn gemaakt van silica door het “Sol-Gel” proces:

1. Een "Sol" wordt gemaakt door kleine vaste deeltjes te mengen met een vloeibaar oplosmiddel.
2. Van de sol wordt een "gel" gemaakt door een katalysator toe te voegen die de deeltjes aan elkaar bindt, waardoor het mengsel stolt.
3. Het vloeibare oplosmiddel wordt verwijderd door te drogen, waardoor alleen de vaste aerogel achterblijft.

De verwerking van aerogels is van vitaal belang voor het creëren van hun unieke microstructuur. Zonder de ultrakleine poriën die overblijven van hun halfvloeibare gelfase , zouden aerogels niet zulke lage dichtheden hebben of zijn zulke uitstekende thermische isolatoren .

Wat zijn de toepassingen van aerogels?

Aerogels zijn geen specifiek materiaal, maar zijn een vorm van materiaal die is verwerkt om het extra poreus te maken. De meest voorkomende aerogels zijn gemaakt van silica (siliciumdioxide); maar er zijn ook aerogels gemaakt van grafeen, ijzeroxide, polymeren en meer .

Aerogels verschijnen ook in verschillende vormen inclusief dikke stenen, flexibele platen en dunne coatings . Aerogels kunnen in tal van toepassingen worden gebruikt en zijn in de handel verkrijgbaar voor gebruik als isolatie . Onderzoekers hebben echter verschillende andere technologische toepassingen ontwikkeld voor deze opmerkelijke materialen.

Aerogel-isolatie

De lage thermische geleidbaarheid en lage dichtheid van aerogels maken ze een uitstekend isolatiemateriaal . Als extra bonus zijn aerogels zo licht dat ze nauwelijks gewicht toevoegen aan de structuur , wat ze perfect maakt voor ruimtereizen omdat elke kilogram geld kost om de ruimte in te tillen. Aerogels zijn ook uitstekende isolatoren die kunnen worden gebruikt in dunne lagen waar flexibiliteit nodig is , zoals in ruimtepakken.

Sommige aerogels zijn doorschijnend , wat betekent dat ze kunnen worden gebruikt op plaatsen waar traditionele isolaties dat niet kunnen, zoals ramen en zonnepanelen . Of ze worden gebruikt voor dakramen in terrestrische gebouwen of de ramen in een toekomstige ruimtehabitat , aerogels laten licht door maar blokkeren de overdracht van warmte .

Dit maakt ze ideaal om structuren gemakkelijker te verwarmen en te koelen terwijl ze ook meer natuurlijk licht binnenlaten . Aerogels zijn ook gebruikt als coatings in zonnecollectoren van de volgende generatie , waar de aerogel licht doorlaat maar voorkomt dat warmte ontsnapt.

Het vermogen van Aerogels om de warmtestroom te stoppen maakt het ook nuttig als een vorm van camouflage , en aerogelcoatings zijn getest als een manier om zich te verbergen voor infraroodcamera's .

Adsorbers &filters

De kleine poriën in aerogels geef ze een bijzonder hoog specifiek oppervlak, wat betekent dat een grote hoeveelheid van het vaste materiaal in contact staat met zijn omgeving . Wanneer aerogels zijn gemaakt van materialen die bepaalde moleculen of deeltjes aantrekken en eraan hechten, kunnen ze worden gebruikt als filters en adsorbers die stoffen in de poriën vasthouden .

Een bekend familielid van aerogeladsorbers is silicagel , dat vaak wordt gebruikt als droogmiddel om water uit de lucht te verwijderen . De meeste mensen zijn bekend met zakjes silicagel gebruikt om voedsel en andere items droog te houden, in airconditioningsystemen en andere toepassingen. Nadat silicagel is verzadigd met water, kan het worden "opgeladen" door het te verwarmen in een oven, die het water van de oppervlakten van de poriën verdampt, waardoor het droog en klaar voor gebruik weer is.

De hoeveelheid water die kan worden opgenomen neemt toe met het specifieke oppervlak . Omdat aerogels een nog groter specifiek oppervlak hebben dan traditionele silicagels, bieden aerogels zelfs nog grotere verbeteringen in hun vermogen om vocht vast te houden .

Geavanceerde technologische toepassingen

Het hoge specifieke oppervlak van aerogels betekent dat ze een bijzonder grote hoeveelheid materiaal in contact hebben met hun omgeving. Dit maakt aerogels nuttig voor een groot aantal chemische en elektrochemische processen dat kan worden verbeterd door het contactoppervlak tussen oplossingen en vaste substraten te maximaliseren.

Deze omvatten dienen als katalysatoren of katalysatorsubstraten voor een verscheidenheid aan industriële chemische processen en voor elektroden in supercondensatoren van de volgende generatie .

Omdat aerogels een soort structuur zijn die van een grote verscheidenheid aan materialen kan worden gemaakt , ontwikkelen onderzoekers voortdurend nieuwe aerogels en nieuwe manieren om ze te gebruiken. Naarmate aanvullende nieuwe materialen worden omgezet in aerogels, zullen ze nieuwe technologische ontwikkelingen mogelijk maken zoals nieuwe supercondensatoren, antimicrobiële coatings, olieabsorberende pads, botimplantaten en meer.

Vanwege hun unieke combinatie van lage thermische geleidbaarheid, lage dichtheid, groot oppervlak en doorschijnendheid, evolueren aerogels naar een breed scala aan geavanceerde materiaaltechnologieën .