Aerogeluri (din lat. aer - aer și gelatus - congelat) - o clasă de materiale care sunt un gel în care faza lichidă este complet înlocuită cu cea gazoasă. Astfel de materiale au o densitate scăzută record și demonstrează o serie de proprietăți unice: duritate, transparență, rezistență la căldură, conductivitate termică extrem de scăzută etc. Aerogelurile pe bază de dioxid de siliciu amorf , alumină , precum și oxizi de crom și staniu sunt comune. La începutul anilor 1990, au fost obținute primele mostre de aerogel pe bază de carbon .
Aerogelurile aparțin clasei de materiale mezoporoase , în care cavitățile ocupă cel puțin 50% și, de regulă, 95-99% din volum, iar densitatea variază de la 1 la 150 kg/m3 . Conform structurii, aerogelurile sunt o rețea asemănătoare unui copac de nanoparticule cu dimensiunea de 2-5 nm combinate în grupuri și pori de până la 100 nm în dimensiune .
Chimistul Stephen Kistler este creditat cu invenția.de la Colegiul Pacificdin Stockton , California , SUA, care și-au publicat rezultatele în 1931 în revista Nature .
Kistler a înlocuit lichidul din gel cu metanol și apoi a încălzit gelul sub presiune până când a fost atinsă temperatura critică a metanolului (240 °C). Metanolul a părăsit gelul fără a scădea în volum; în consecință, gelul „se usucă”, aproape fără a se micșora.
La atingere, aerogelurile seamănă cu o spumă ușoară, dar fermă, similară spumei de polistiren . Sub sarcină grea, aerogelul crapă, dar în general este un material foarte puternic - o probă de aerogel poate rezista la o sarcină de 2000 de ori greutatea proprie. Aerogelurile, în special cele de cuarț, sunt buni izolatori termici. Sunt, de asemenea, foarte higroscopice .
În aparență, aerogelurile de cuarț sunt translucide. Datorită împrăștierii Rayleigh a luminii pe structuri asemănătoare copacilor, acestea apar albăstrui în lumina reflectată și galben deschis în lumina transmisă. Aerogelurile pe bază de oxizi de aluminiu ( Al 2 O 3 ), zirconiu ( ZrO 2 ) şi titan ( TiO 2 ) au proprietăţi optice similare. Aerogelurile din alți oxizi metalici pot avea culori și transparență diferite; deci, aerogelul cu oxid de fier este opac și are o culoare asemănătoare cu rugina , aerogelul cu oxid de vanadiu este opac, verde măsliniu; Aerogelul cu oxid de crom are o culoare verde închis sau albastru închis, iar aerogelurile pe bază de oxizi ai metalelor pământurilor rare sunt transparente ( oxidul de samariu este galben, oxidul de neodim este violet, oxizii de holmiu și erbiu sunt roz) [1] . Aerogelurile de carbon sunt de culoare neagră, absorbind 99,7% din lumina incidentă.
Cele mai comune sunt aerogelurile de cuarț . Densitatea minimă a acestora este de 1 kg/m 3 (versiunea de vid), care este de 1000 de ori mai mică decât densitatea apei și chiar de 1,2 ori mai mică decât densitatea aerului (deși densitatea indicată nu include greutatea aerului inclusă în structura, deoarece aerogelurile nu plutesc în aer). Dintre solide, doar microrețele metalice (a căror densitate poate ajunge la 0,9 kg/m 3 [2] , cu o zecime mai mică decât cele mai bune valori ale densității aerogelurilor), grafitul de aer (a cărui densitate este de 0,18 kg/m 3 ) și aerograful .( 0,16 kg/m3 ) . Aerogelurile de cuarț transmit lumină în ultravioletul moale , regiunea vizibilă (cu o lungime de undă mai mare de 300 nm ) și regiunea infraroșu, cu toate acestea, în regiunea infraroșu, există benzi hidroxil la 3500 cm – 1 și 1600 cm – 1 tipic pentru cuarț obținut prin deshidratarea gelurilor de silice [3] . Datorită conductivității lor termice extrem de scăzute ( ~0,017 W/(m K) în aer la presiunea atmosferică), [4] , care este mai mică decât conductivitatea termică a aerului ( 0,024 W/(m K) ), sunt utilizate în construcție ca materiale termoizolante și reținătoare de căldură. Punctul de topire al aerogelului de cuarț este de 1200 °C.
Aerogelurile de carbon ( aerografite ) sunt compuse din nanoparticule legate covalent unele de altele. Sunt conductoare electric și pot fi utilizați ca electrozi în condensatori. Datorită suprafeței foarte mari a suprafeței interioare (până la 800 m 2 / gram ), aerogelurile de carbon și-au găsit aplicație în producția de supercondensatori ( ionistori ) cu o capacitate de mii de farazi . În prezent, au fost atinși indicatori de 10 4 F/gram și 77 F/cm 3 . Aerogelurile de carbon reflectă doar 0,3% din radiație în intervalul de lungimi de undă de la 250 nm la 14300 nm , făcându-le absorbanți eficace de lumina solară.
Aerogelurile de alumină obținute din alumină cu adaos de alte metale sunt utilizate ca catalizatori . Pe baza aerogelurilor de alumină cu aditivi de gadoliniu și terbiu , NASA a dezvoltat un detector de coliziune de mare viteză: în punctul de coliziune al unei particule cu o suprafață, are loc fluorescența , a cărei intensitate depinde de viteza de coliziune.
Pe lângă numeroasele aplicații tehnice datorate proprietăților unice de mai sus, aerogelul este cel mai bine cunoscut pentru utilizarea sa în proiectul Stardust ca material pentru captarea prafului cosmic .
Deoarece indicele de refracție al aerogelurilor este intermediar între indicii de refracție ai substanțelor gazoase și lichide (solide), aerogelul este utilizat ca radiator în detectoarele Cherenkov de particule încărcate.
Aerogelurile pot fi folosite ca filtre de gaze și lichide.
Un aerogel pe bază de oxid de fier cu nanoparticule de aluminiu poate servi ca exploziv (dezvoltarea Laboratorului Național Livermore numit după E. Lawrence , SUA).
La începutul anului 2006 , unele companii, precum United Nuclear [5] , au anunțat începerea vânzărilor de aerogel către organizații și persoane fizice. În funcție de mărimea și forma eșantionului, prețul variază de la 25 USD (fragmente) la 125 USD (o piesă care se potrivește în palma mâinii tale).
În prezent, aerogelul este utilizat pentru fabricarea de materiale termoizolante pentru aplicații industriale.
Alison Airgel este un producător chinez de materiale de izolare termică de înaltă performanță pe bază de aerogel.
| Starile termodinamice ale materiei | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Stări de fază |
| ||||||||||||||||
| Tranziții de fază |
| ||||||||||||||||
| Sisteme disperse | |||||||||||||||||
| Vezi si | |||||||||||||||||