شناخت ایروژلها
ایروژل سبکترین ماده (یا ائروژلها= تلفظ درست: اِی-رُ-ژل ولی این یکی بیشتر استفاده میشود!) مواد مختلفی از جامدات متخلخل بوده که طیف عجیبی از خصوصیات را به نمایش میگذارند.
مهمترین نکته قابل توجه درباره ایروژل سبکترین ماده، چگالی خیلی پایین آنها میباشد (از 0.0011 تا 0.5 گرم در سانتی متر مکعب). به عبارتی تمامی سبکترین مواد تولیدی تاکنون، از طرف خانواده ایروژلها ارایه شدهاند. برای نمونه یک مورد سیلیس ایروژل تولیدی، تنها سه برابر هوا وزن دارد و درصورتیکه هوا از منافذ آن تخلیه گردد، از هوا نیز سبکتر خواهد شد.
ایروژل سبکترین ماده جهان
بطور معمول چگالی آنها حدود 0.02 گرم بر سانتی متر مربع (15 بار سنگینتر از هوا). با اینحال در همین چگالی هم نیاز به 150 قطعه آجری شکل از آئروژل داریم تا وزنی معادل یک گالن 3 لیتری آب داشته باشند. حال اگر مجسمه “داوودِ” میکل آنژ (حدود 5 متر ارتفاع) با یک ایروژل با همین مشخصات ساخته شود، کل وزنش تنها 2 کیلوگرم خواهد بود.
به لحاظ مقایسه، معمولاً 95 تا 99 درصد حجم ایروژل سبکترین ماده را هوا تشکیل میدهد. ایروژل سبکترین ماده بوده که کم چگالترین این مواد هم تقریباً تا 99.98 درصد حجمشان را هوا تشکیل میدهد.
ایروژل سبکترین ماده، چیست؟
ایروژل سبکترین ماده، اساساً حجمی جامد، خشک، متراکم و متخلخل ژل مانندی بوده که بجای مایع بکار رفته در ژل، گاز یا هوا جایگزین آن می باشد. این مواد حجمهای متخلخل باز هستند و گاز درون آنها، متراکم و بسته نیست. منافذ این مواد قطری کمتر از یک تا 100 نانو متر داشته و معمولاً کوچکتر از 20 نانومتر اندازهگیری میشوند.
آئروژل یک فوم جامد سلول باز متخلخل از نانوساختارهای مزوپروس بهم پیوسته تولید میشود. تخلخل حداقل 50 درصد حجم جامد این مواد را تشکیل میدهد.
اصطلاح “مزوپور” به مادهای با منافذی از قطر 2 تا 50 نانومتر اطلاق میشود.
ساختار ایروژل
به همین خاطر بیشتر منافذ موجود در ایروژل نیز در این محدوده قرار دارد. درحقیقت، بیشتر ایروژل سبکترین ماده در حدود 90 تا 99.8 درصد حجمشان دارای تخلخل بوده و مقدار قابل توجهی ریز تخلخل (منافذ قطر کمتر از 2 نانومتر) را نیز شامل میشوند.
ایروژلها از چه ساخته شدهاند؟
اصطلاح ائروژل به ماده خاصی اشاره ندارد، بلکه به هندسهای گفته میشود که ماده می تواند به خود بگیرد. یعنی به همان روشی که مثلاً یک مجسمه از خاک رس، پلاستیک، خمیرِ کاغذ و غیره ساخته میشود، ایروژلها هم از طیف گسترده ای از مواد ساخته میشوند که در ادامه با آنها آشنا میشویم:
- سیلیس
- اکثر اکسیدهای فلزات انتقالی (برای مثال اکسید آهن)
- اکثر اکسیدهای فلز لانتانید و اکتینید (مثلاً اکسید پرازودیمیم)
- چندین اکسید فلزی گروه اصلی (به عنوان مثال اکسید قلع)
- پلیمرهای آلی (مانند رزورسینول-فرمالدئید، فنل-فرمالدئید، پلی اکریلاتها، پلی استایرن ها، پلی یورتانها و اپوکسیها)
- پلیمرهای بیولوژیکی (مانند ژلاتین، پکتین و آگار آگار)
- نانوساختارهای نیمه هادی (مانند نقاط کوانتومی سلنید کادمیوم)
- کربن
- نانولولههای کربنی
- فلزات(مانند مس و طلا)
انواع ایروژلها
کامپوزیتهای ائروژل: برای نمونه ایروژلهای تقویتی با پوششهای پلیمری یا ایروژلهای جاسازی شده با نانوذرات مغناطیسی بطور معمول تهیه میشوند.
ایروژل و سیلیس ایروژل
وقتی صحبت از ایروژل سبکترین ماده به میان میآید، در بیشتر مواقع مشخصاً منظور همان سیلیس ایروژل می باشد. (مثل اینکه وقتی میگوییم پلاستیک، عموماً درباره پلی اتیلن صحبت میکنیم. البته مواد دیگری مثل پلی پروپیلن، اکریلیک، تفلون و نایلون هم پلاستیک درنظر گرفته میشوند).
بطور کلی ایروژلِ یک ماده، از نظر شیمیایی شبیه فرم عمده آن ماده است. با این حال بخاطر چگالی فوق العاده کم و اثرات مقیاس طولی که از نانو ساختارهای خود دریافت میکند، میتواند خواص اصل ماده خود را(بدون ایروژل) بطور چشمگیری افزایش دهد.(مثلاً افزایش قابل توجه در سطح و کُنشهای کاتالیزوری) و در عین حال در سایر خصوصیات (مانند مقاومت مکانیکی) از خود کاهش نشان میدهد.
سبکترین مواد جامد جهان
ویژگیهای خاص آئروژلها
بسیاری از ایروژل ها ترکیب چشمگیری از خصوصیات مواد بوده که مادهای اضافه بصورت همزمان ندارد.
- کمترین میزان چگالی در بین مواد.
- کمترین میانگین مسیر آزاد انتشار مواد جامد
- بالاترین سطح ویژه از هر نوع ماده یکپارچه (غیر پودر)(تا 3200 مترمربع در گرم).
- کمترین ثابت دی الکتریک از بین مواد جامد
- دارای کمترین سرعت صدا در بین مواد جامد.
توجه به یک نکته مهم که همه ایروژلها دارای ویژگی های حداکثری و یا حداقلی نیستند. (در واقع اکثر آنها این ویژگیها را نداشته اما مقادیر خیلی خوبی برای بسیاری از خصوصیات را دارند.)
با متناسب سازی فرآیند تولید، بسیاری از خواص ایروژل سبکترین ماده، قابل تنظیم است. مثلاً تراکم حجمی را درنظر بگیرید. به سادگی با ساخت ژلِ پیش سازِ کموبیش غنی شده، میتوان این چگالی را تنظیم کرد. هدایت حرارتی یک ایروژل نیز میتواند به همین شکل تنظیم گردد، زیرا رسانایی گرمایی به تراکم ارتباط دارد.
به طور معمول، آئروژلها تراکم عمده ای را از 0.5 تا 01/0 گرم در متر مربع و سطح آن از 100 تا 1000 مترمربع در گرم نشان میدهند. البته این موضوع به ترکیب ایروژل و تراکم ژل پیش سازِ مورد استفاده برای ساخت آن، بستگی دارد. خصوصیات اضافه مانند شفافیت، رنگ، مقاومت مکانیکی و حساسیت به آب در درجه اول به ترکیب ایروژل بستگی دارد.
ایروژاستل عایق حرارتی
چند نمونه از ایروژلها
برای مثال، ایروژلهای سیلیس که بیشترین تحقیق برای آنها صورت گرفته (و نوعی که معمولاً در عکسها میبینیم)، به دلیل پراکندگی رایلی(Rayleigh scattering) در طول موجهای کوتاه نورِ نانوذراتِ تشکیل دهنده، معمولاً با یک هاله آبی رنگ همراه میباشند.
اما ازطرفی، چارچوب ایروژلهای کربنی کاملاً مات و سیاه است. بعلاوه، ایروژلهای اکسید آهن به سختی شفاف بوده و میتوانند به شکل زنگ خوردگی یا زرد رنگ باشند.
بعنوان موردی جدید، ایروژل سبکترین ماده معدنی با چگالی کم (<0.1 گرم سانتی متر مکعب) میتوانند به عنوان عایقهای حرارتی عالی و هم مواد دی الکتریک عالی (عایقهای الکتریکی) مورد استفاده قرار گیرند. در حالیکه اکثر ایروژلهای کربنی عایقهای حرارتی خوب و هادیهای الکتریکی میباشند.
بنابراین با تنظیم پارامترهای پردازش و کاوش در ترکیبات جدید، میتوان موادی با طیفهای متنوعی از خواص و تواناییها را بوجود آورد.
حس ایروژل سبکترین ماده. چقدر سخت هستند؟
وقتی دست میزنیم، یک ایروژل غیر آلی(مثل ایروژل سیلیس یا اکسید فلز) چیزی شبیه بالشتکهای کوچک بسته بندی (در اندازه یک بند انگشت) است. برخلاف ژلهای مرطوب، این ایروژلها خشک، سفت و بسیار کم وزن می باشند.
ایروژل در دست
بصورت کلی ایروژلها ساختاری بسیار شکننده دارند. مخصوصاً ایروژلهای غیر آلی در هنگام خمیدگی، سریع میشکنند و در حالتی که چگالیشان بسیار پایین باشد، در زمان سوراخ شدن، سریع شکاف خورده و ترک برمیدارند.
ازطرفی بسته به چگالیشان، میتوانند افزایش بار تدریجی تا 2000 برابر وزنشان را تحمل کنند. البته با توجه به چگالی پایینی آنها، ورود این نیرو در یک نقطه خاص، کار راحتی خواهد بود.
ایروژلهای پلیمری آلی نسبت به خانوادههای معدنیشان، شکنندگی کمتری داشته و بیشتر شبیه فومهای سبز رنگی هستند که برای نگهداری گلها کاربرد دارند و البته بشکل غیر قابل برگشتی میتوانند خُرد شوند.
ایروژلهای کربنی نیز که زیر مجموعه ایروژلهای آلی هستند، قوام ذغال فعال را دارند و خیلی سریع خرد نمیگردند.
ایروژلهای خاص
با این حال تعدادی از ایروژلهای پرقدرت هم وجود دارند که میتوانند دهها هزار برابر وزنشان نیرو را تحمل کنند. دستهای از ایروژلهای غیرآلی پیوندی پلیمری به نام x-aerogels در این دسته قرار دارند.
اینها میتوانند علاوه بر مقاومت مکانیکی، مانند لاستیک انعطاف پذیر هم باشند. یک نوع دیگر x-aerogel ساخته شده از وانادیا (اکسید وانادیوم) از نظر فشرده سازی فوق العاده قوی میباشد. این ماده دارای بالاترین مقاومت فشاری نسبت به وزن در مقایسه با هر نوع از ایروژلها و یا کامپوزیتهای فیبر کربن کاربردی در صنعت هوا فضا میباشد! صرف نظر از ترکیب، بیشتر انواع آئروژل را میتوان به سادگی و با متراکم ساختن آنها (بین 1/0 تا 0.5 گرم بر سانتی متر مکعب) تقویت نمود. البته فقط در زمان وزن سبک و هدایت حرارتی بسیار کم آنها.
🌷 اینستاگرام مارا فراموش نفرمایید 🌷
