Aerogeler (från lat. aer - luft och gelatus - frysta) - en klass av material som är en gel där den flytande fasen är helt ersatt av den gasformiga. Sådana material har rekordlåg densitet och uppvisar ett antal unika egenskaper: hårdhet, transparens, värmebeständighet, extremt låg värmeledningsförmåga, etc. Aerogeler baserade på amorf kiseldioxid , aluminiumoxid , samt krom- och tennoxider är vanliga. I början av 1990 -talet erhölls de första kolbaserade aerogelproverna .
Aerogeler tillhör klassen av mesoporösa material , där hålrummen upptar minst 50%, och som regel 95-99% av volymen, och densiteten varierar från 1 till 150 kg/m3 . Enligt strukturen är aerogeler ett trädliknande nätverk av nanopartiklar 2–5 nm i storlek kombinerade till kluster och porer upp till 100 nm i storlek .
Kemisten Stephen Kistler tillskrivs uppfinningen.från Pacific Collegei Stockton , Kalifornien , USA, som publicerade sina resultat 1931 i tidskriften Nature .
Kistler ersatte vätskan i gelén med metanol och värmde sedan gelén under tryck tills den kritiska temperaturen för metanol (240 °C) nåddes. Metanol lämnade gelén utan att minska i volym; följaktligen "torkar gelen ut", nästan utan att krympa.
Vid beröring liknar aerogeler lätt men fast skum, liknande polystyrenskum . Vid hög belastning spricker aerogel, men i allmänhet är det ett mycket starkt material - ett aerogelprov tål en belastning på 2000 gånger sin egen vikt. Aerogeler, särskilt kvarts sådana, är bra värmeisolatorer. De är också mycket hygroskopiska .
Till utseendet är kvartsaerogeler genomskinliga. På grund av Rayleigh-spridningen av ljus på trädliknande strukturer, verkar de blåaktiga i reflekterat ljus och ljusgula i genomsläppt ljus. Aerogeler baserade på oxider av aluminium ( Al 2 O 3 ), zirkonium ( ZrO 2 ) och titan ( TiO 2 ) har liknande optiska egenskaper. Aerogeler från andra metalloxider kan ha olika färger och transparens; så, aerogel av järnoxid är ogenomskinlig och har en färg som liknar rost , vanadinoxid aerogel är ogenomskinlig, olivgrön; kromoxidaerogel har en mörkgrön eller mörkblå färg, och aerogeler baserade på oxider av sällsynta jordartsmetaller är transparenta ( samariumoxid är gul, neodymoxid är lila, holmium- och erbiumoxider är rosa) [1] . Kolaerogeler är djupt svarta och absorberar 99,7 % av det infallande ljuset.
De vanligaste är kvarts aerogeler. Deras minsta densitet är 1 kg/m 3 (vakuumversion), vilket är 1000 gånger mindre än vattentätheten och till och med 1,2 gånger mindre än luftens densitet (även om den angivna densiteten inte inkluderar vikten av luften som ingår i struktur, eftersom aerogeler inte flyter i luften). Bland fasta ämnen, endast metallmikrogitter (vars densitet kan nå 0,9 kg/m 3 [2] , vilket är en tiondel mindre än de bästa densitetsvärdena för aerogeler), luftgrafit (vars densitet är 0,18 kg/m 3 ) och airbrush( 0,16 kg/m3 ) . Kvartsaerogeler överför ljus i det mjuka ultravioletta området, det synliga området (med en våglängd större än 300 nm ), och det infraröda området, men i det infraröda området finns det hydroxylband vid 3500 cm – 1 och 1600 cm – 1 typiska för kvarts erhållen genom dehydrering av silikageler [3] . På grund av deras extremt låga värmeledningsförmåga ( ~0,017 W/(m K) i luft vid atmosfärstryck), [4] , vilket är mindre än luftens värmeledningsförmåga ( 0,024 W/(m K) ), används de i konstruktion som värmeisolerande och värmebevarande material. Smältpunkten för kvarts aerogel är 1200 °C.
Kolaerogeler ( aerografiter ) är sammansatta av nanopartiklar som är kovalent bundna till varandra. De är elektriskt ledande och kan användas som elektroder i kondensatorer. På grund av den mycket stora ytan av den inre ytan (upp till 800 m 2 / gram ) har kolaerogeler hittats till användning vid produktion av superkondensatorer ( jonistorer ) med en kapacitet på tusentals farad . För närvarande har indikatorer på 10 4 F/gram och 77 F/cm 3 uppnåtts . Kolaerogeler reflekterar endast 0,3 % av strålningen i våglängdsområdet från 250 nm till 14300 nm , vilket gör dem till effektiva absorbenter av solljus.
Aluminiumoxidaerogeler tillverkade av aluminiumoxid med tillsatser av andra metaller används som katalysatorer . På basis av aluminiumoxidaerogeler med tillsatser av gadolinium och terbium utvecklade NASA en höghastighetskollisionsdetektor: vid kollisionspunkten för en partikel med en yta uppstår fluorescens , vars intensitet beror på kollisionshastigheten.
Förutom de många tekniska tillämpningarna på grund av ovanstående unika egenskaper, är aerogel mest känd för sin användning i Stardust-projektet som ett material för att fånga kosmiskt damm .
Eftersom aerogelernas brytningsindex ligger mellan brytningsindexen för gasformiga och flytande (fasta) ämnen, används aerogel som en radiator i Cherenkov-detektorer av laddade partiklar.
Aerogeler kan användas som gas- och vätskefilter.
En aerogel baserad på järnoxid med nanopartiklar av aluminium kan fungera som ett sprängämne (utveckling av Livermore National Laboratory uppkallat efter E. Lawrence , USA).
I början av 2006 tillkännagav vissa företag, som United Nuclear [5] , att försäljningen av aerogel till organisationer och privatpersoner började. Beroende på storleken och formen på provet varierar priset från $25 (fragment) till $125 (en bit som passar i handflatan).
För närvarande används aerogel för att tillverka värmeisolerande material för industriella applikationer.
Alison Aerogel är en kinesisk tillverkare av högpresterande aerogel-baserade värmeisoleringsmaterial.
| Materias termodynamiska tillstånd | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fas tillstånd |
| ||||||||||||||||
| Fasövergångar |
| ||||||||||||||||
| Dispergera system | |||||||||||||||||
| se även | |||||||||||||||||