Aerożel
Aerożel to materiał, który jest rodzajem sztywnej piany o niezwykle niskiej gęstości. Składa się w 90–99,8% z powietrza, a reszta to porowaty komponent tworzący jego strukturę.
Pierwsze aerożele, które miały tendencję do zapadania się, zostały opracowane przez Samuela Stephensa Kistlera w 1931 roku. Przez długi czas nie znalazły one jednak praktycznego zastosowania i zostały w znacznym stopniu zapomniane.
Charakterystyka
Aerożele są obecnie najlżejszymi substancjami stałymi, charakteryzującymi się gęstością w przedziale 1,9–150 mg/cm³, co sprawia, że ich gęstość jest tylko nieznacznie wyższa od gęstości powietrza (1,2 mg/cm³). Dla porównania, najlżejsze drewno, takie jak balsa, używane w lotnictwie i modelarstwie, ma gęstość w zakresie 40–180 mg/cm³. Najlżejsze aerożele węglowe osiągają gęstość 0,16–0,18 mg/cm³.
Te materiały wyróżniają się również najniższym współczynnikiem przewodnictwa ciepła spośród ciał stałych.
Pomimo ich pozornie delikatnej budowy, wiele aerożeli wykazuje znakomite właściwości mechaniczne, zwłaszcza w zakresie odporności na ściskanie i rozciąganie. Mogą wytrzymać nacisk na gładką powierzchnię, wynoszący nawet 4000 razy ich masę. Są jednak bardzo kruche i nieodporne na uderzenia, skręcanie oraz ściskanie.
Aerożele krzemionkowe są stabilne do temperatury topnienia krzemionki, czyli około 1200 °C.
Większość aerożeli składa się z krzemionki, jednak znane są także aerożele oparte na innych związkach chemicznych, takich jak zeolity i aluminoksany, które jednak nie przekroczyły fazy testów laboratoryjnych. W 2007 roku opublikowano informacje o tzw. chalcożelach, które są zbudowane z tio- i selenogermanianów oraz cynianów platyny. Istnieją również aerożele grafitowe oraz te wytwarzane z nanorurek węglowych i grafenu.
Zastosowania
Wszystkie te cechy sprawiają, że aerożele są doskonałym materiałem do budowy statków kosmicznych. Służą także jako warstwa izolacyjna w skafandrach kosmonautów. Coraz częściej są wykorzystywane w lotnictwie jako wypełnienia termoizolacyjne w samolotach. Planowane jest ich zastosowanie jako materiałów izolacyjnych w budownictwie oraz w odzieży codziennego użytku. Obecnie jednak ich wysoka cena stanowi istotną przeszkodę. Dzięki rozwiniętej powierzchni, aerożele są także stosowane jako podkłady dla katalizatorów w niektórych reakcjach chemicznych.
Aerożele z otwartymi porami mają zdolność kumulowania drobnych pyłów, które poruszają się (w próżni) z prędkością kilkanaście razy większą od pocisku wystrzelonego z pistoletu. Ta właściwość została wykorzystana przez NASA w projekcie o nazwie Stardust, w którym specjalny kolektor z aerożelu zbierał drobinki pyłu i pył kosmiczny, aby zbadać skład warkocza komety Wild 2.
Powstawanie
Aerożele początkowo uzyskiwano poprzez stapianie idealnie czystej krzemionki w atmosferze nadkrytycznego dwutlenku węgla, a następnie „rozdmuchiwanie” jej przy użyciu par rozpuszczalników organicznych poprzez stopniowe zmniejszanie ciśnienia. Technologia ta została rozwinięta przez NASA we współpracy z firmą Aspen Systems, Inc.
Obecnie częściej stosuje się metody chemiczne, które polegają na reakcji skrajnie rozrzedzonych czterofunkcyjnych alkoksysilanów (np. Si(OCH3)4) z parą wodną w atmosferze gazu obojętnego. Na początku, w wyniku kondensacji hydrolitycznej, powstaje miękki żel krzemionkowy. Zanim piany krzemionkowe całkowicie zastygną, ciśnienie w reaktorze jest powoli zmniejszane, aż do osiągnięcia niemal całkowitej próżni, co prowadzi do gwałtownego wzrostu objętości żelu. W końcowym etapie produkcji reaktor wypełniany jest ponownie gazem obojętnym, a temperatura jest podnoszona, co kończy proces kondensacji, usztywnia pianę i prowadzi do powstania trwałego aerożelu.