Aerogels

Koostis / struktuur

Arogeelid on sool-geel protsessil saadud ultrapoorsed materjalid (pooride läbimõõt < 100 nm), tuntuim neist on kvartsaerogeel (SiO₂), aerogeele on saadud ka alumiiniumi, kroomi ja tina oksiidide baasil ning erineva tehnoloogiaga süsinikust.

Omadused

Väga väikese tihedusega (kergeimad mõnekordse õhutihedusega, st vaid mõni mg/cm³) nanopoorsed materjalid. Suure eripinnaga. Väga head soojusisolaatorid (minimaalsed soojusjuhtivuse väärtused [01.12.07] mõned mK×W^-1×m^-1). Pooride väiksuse tõttu on kvartsaerogeel suhteliselt läbipaistev, kuna hajutab valgust vähe.

Saamine

Sool-geel protsessil saadud sültja massi kuivatamisel. Kuivamisprotsessi käigus osaliselt vedelikuga täidetud pooride kokkuvarisemise vältimiseks vedeliku pindpinevusjõudude mõjul toimetatakse kuivatamist ülekriitilises olekus, kus puudub erinevus gaasi- ja vedelfaasi vahel (ja seega ka nende lahutuspind). Selleks asendatakse sool-geel protsessil moodustunud poore täitev alkohol vedelas olekus süshappegaasiga,  viimane eemaldatakse ülekriitilise olekus (kriitiline punkt 304.18 K = 31.03 °C, 7.38 MPa). Ultrapoorse süsiniku saamise üheks teeks on erinevate metallide karbiidide reageerimine klooriga.

Rakendused

Aerogeele sai esmakordselt Steven Kistler 1931. a. [2]. Üks esimesi aerogeelide rakendusi oli kiirete osakeste Tšerenkovi kiirguse registraatorites. Komposiitides fiibritega valmistatakse aerogeelidest “soojatekke”. NASA Stardust-missioonil [01.12.07] kasutati aerogeelblokke [01.12.07] kosmilise tolmu osakeste püüduritena. Süsinikaerogeele kasutatakse ülimahukate elektrisalvestite – superkondensaatorite [01.12.07] – valmistamiseks (Tartu Tehnoloogiad OÜ [01.12.07]). Aerogeelide potentsiaalseid laiatarberakendusi (nt aknapakettides klaaside vahel soojusisolaatorina) on seni piiranud materjali keerukast tehnoloogiast tingitud kõrge hind.

Näidised

E97.1. Kvartsaerogeeli plokk 50 ´ 50 ´ 12,5 mm. Ploki kaal on 2,6 g, tihedus 87 kg/m³ (0,087 g/cm³).

Demod, katsed

D97.1. Aerogeel paistab läbi (vaadke vasakpoolset fotot suurendatult sellel klikates), mingil määral isegi 50 mm pakuses kihis (parempoolne foto – plokk E97.1 küljelt vaadatuna).

D97.2. Aerogeel hajutab valgust. Pooride väiksuse tõttu võrreldes nähtava valguse lainepikkusega hajutab aerogeel rohkem lühemalainelist (sinist) valgust. Seetõttu paistab aerosooliplokk risti valgustusuunaga sinakana (vasakpoole foto, valgus langeb paremalt), läbivas valguses aga kollakana (parempoolne foto). Kuna sarnane mehhanism annab sinaka värvuse ka suitsule, on aerogeeli kutsutud ka “külmunud suitsuks” (frozen smoke).

Rohelise laserikiire hajumine aerogeelis (kiir kõrvaltvaates).

D97.3. Aerogeel on väikese murdumisnäitajaga.
Fotol paistab millimeeter-ruudustikuga aluspaber vasakul läbi 12,5 mm paksuse akrüülklaasist ploki, paremal läbi samapaksu kvartsaerogeeli (E97.1) ploki. Valguse murdumine akrüülklaasis on põhjustanud ruudustiku kujutise olulise nihke läbi õhu nähtavaga (keskel) võrreldes, aerogeelis sarnane nihe praktiliselt puudub. Tihedusest lähtuv hinnang aerogeeli E97.1 murdumisnäitajale annab selle väärtuseks 1,02. Kes eelnevat lugenud, oskab kindlasti ka vastata küsimusele, mis aerogeel musta ruudustikus siniseks muudab, valge paberi aga pisut kollakaks.

D97.4. Aerogeeliplokk E97.1 kannab telliskivi massiga 4 kg.
Telliskivi rõhk ploki pinnale on 16 kPa.

Viited:

1. Aerogel. Wikipedia [01.12.07]
2. A. Hunt, M. Ayers, History of silica aerogels [01.12.07]

Tänu: SA Teaduskeskus AHHAA

Koostas: JK