घर पर DIY एयरजेल। एयरजेल मानव हाथों की एक असामान्य रचना है। एयरजेल, यह किस प्रकार की सामग्री है?

एयरजेल - बहुत असामान्य रचनामानव हाथ, एक ऐसी सामग्री जिसे इसके अद्वितीय गुणों के लिए गिनीज बुक ऑफ रिकॉर्ड्स में 15 स्थान से सम्मानित किया गया है। "एरोजेल" नाम दो से आया है लैटिन शब्दवायु - वायु और जिलेटस - जमे हुए। इसलिए, एयरजेल को अक्सर "जमा हुआ धुआं" कहा जाता है।

हालाँकि, दिखने में एयरजेल वास्तव में जमे हुए धुएं जैसा दिखता है। एयरजेल एक असामान्य जेल है जिसमें कोई तरल चरण नहीं होता है, इसे पूरी तरह से गैसीय द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पदार्थ में रिकॉर्ड कम घनत्व होता है, हवा के घनत्व का केवल डेढ़ गुना, और कई अन्य अद्वितीय होते हैं गुण: कठोरता, पारदर्शिता, गर्मी प्रतिरोध, आदि। एयरजेल इसलिए भी आश्चर्यजनक है क्योंकि इसमें 99.8%... हवा होती है!
एयरजेल की उपस्थिति का इतिहास अभी भी पूरी तरह से समझा नहीं गया है। यह केवल ज्ञात है कि अमेरिकी वैज्ञानिक सैमुअल किस्टलर पिछली सदी के बीसवें या तीसवें वर्ष में स्टॉकटन (कैलिफ़ोर्निया) में पैसिफिक कॉलेज में इसे प्राप्त करने वाले पहले व्यक्ति थे। जैसा कि कभी-कभी होता है, वैज्ञानिक अनुसंधान में, लगभग दुर्घटनावश, सुपरक्रिटिकल सुपरसैचुरेटेड तरल पदार्थों में अमीनो एसिड के क्रिस्टलीकरण के उप-उत्पाद के रूप में प्राप्त होता है। वैज्ञानिक ने नियमित जेल में तरल को मेथनॉल से प्रतिस्थापित करके एयरजेल का उत्पादन हासिल किया। इसके बाद जेल को उच्च दबाव में 240 डिग्री (मेथनॉल के लिए महत्वपूर्ण तापमान) तक गर्म किया गया। इस बिंदु पर, मेथनॉल गैस ने जेल छोड़ दिया, लेकिन निर्जलित फोम की मात्रा में कमी नहीं हुई। परिणामस्वरूप, एक हल्का, बारीक छिद्रपूर्ण पदार्थ बना, जिसे बाद में एयरजेल कहा गया। नई सामग्री की उपस्थिति की आधिकारिक तारीख 1931 मानी जाती है, जो नेचर पत्रिका में इसके बारे में एक लेख के प्रकाशन का समय है। "एरोजेल" शब्द की उत्पत्ति भी अज्ञात है। यह एक रहस्य बना हुआ है कि क्या किस्टलर ने स्वयं इसे हमारे भाषण में पेश किया, या अपने सहयोगियों के संकेत का फायदा उठाया। पहला एयरजेल एक वैज्ञानिक ने क्वार्ट्ज से प्राप्त किया था। इसके बाद, उन्होंने इस सामग्री को धातु ऑक्साइड से बनाना सीखा, कार्बनिक पदार्थ, और कई अन्य आरंभिक सामग्री।
संरचना में, एरोजेल 2-5 नैनोमीटर आकार के कणों का एक पेड़ जैसा नेटवर्क है जो सजातीय समूहों (समूहों) में एकजुट होता है और 100 नैनोमीटर आकार तक के हवा से भरे छिद्र होते हैं। बाह्य रूप से, एयरजेल पारदर्शी या पारभासी जमे हुए साबुन के झाग जैसा दिखता है। नग्न आंखों से देखने पर, एयरजेल एक ठोस, सजातीय पदार्थ प्रतीत होता है, जो इसे विभिन्न फोम जैसे छिद्रपूर्ण मीडिया से अलग करता है। छूने पर एयरजेल भी जमे हुए झाग जैसा लगता है। यह काफी मजबूत सामग्री है - एयरजेल अपने वजन से 2000 गुना अधिक भार का सामना कर सकता है। उदाहरण के लिए, 2.38 ग्राम वजन वाला एयरजेल का एक छोटा सा ब्लॉक 2.5 किलोग्राम वजन वाली ईंट को आसानी से झेल सकता है!

क्वार्ट्ज़ एरोजेल एक बहुत अच्छा ताप अवरोधक है। एरोजेल के उत्पादन की प्रक्रिया जटिल और श्रम-गहन है। सबसे पहले, उपयोग करना रासायनिक प्रतिक्रिएं, जेल पोलीमराइज़ करता है। इस ऑपरेशन में कई दिन लगते हैं और आउटपुट एक जेली जैसा उत्पाद होता है। फिर जेली से अल्कोहल के साथ पानी निकाल दिया जाता है। इसका पूर्ण निष्कासन ही पूरी प्रक्रिया की सफलता की कुंजी है। अगला चरण "सुपरक्रिटिकल" सुखाने का है। इसका उत्पादन आटोक्लेव में किया जाता है उच्च रक्तचापऔर तापमान, इस प्रक्रिया में द्रवीकरण शामिल है कार्बन डाईऑक्साइडइन्सुलेशन सामग्री के रूप में क्वार्ट्ज एयरजेल का व्यावहारिक उपयोग बीसवीं सदी के चालीसवें दशक में शुरू हुआ। मशहूर कंपनीमोनसेंटो ने किस्टलर के साथ एक लाइसेंसिंग समझौते के तहत इस उत्पाद का उत्पादन किया। हालाँकि, उनकी उच्च लागत के कारण, एयरजेल हीट इंसुलेटर का व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया गया था, और सत्तर के दशक में उत्पादन कम कर दिया गया था। पिछली शताब्दी के अंत में ही एयरजेल का मानवता द्वारा फिर से व्यापक रूप से उपयोग किया जाने लगा, मुख्य रूप से अंतरिक्ष उद्योग में। यह एयरजेल था जो बन गया सबसे महत्वपूर्ण तत्वऐरे कैचर, जिसका उपयोग स्टारडस्ट अंतरिक्ष जांच द्वारा धूमकेतु वाइल्ड 2 की पूंछ से लाखों छोटे कणों को पकड़ने और इन नमूनों के साथ लैंडर को पृथ्वी पर लाने के लिए किया गया था। वैसे, जांच द्वारा पकड़े गए विभिन्न प्रकार के कणों में ग्लाइसिन के निशान पाए गए, जो प्रोटीन निर्माण के लिए सबसे महत्वपूर्ण अमीनो एसिड है। उन वैज्ञानिकों के लिए जो जीवन की अलौकिक उत्पत्ति के सिद्धांत को साझा करते हैं, यह खोज अप्रत्यक्ष प्रमाण बन गई कि वे सही थे।
एयरजेल को नासा के मंगल परियोजना के लिए बनाए गए अमेरिकी निर्मित अंतरिक्ष सूट में एक अद्वितीय थर्मल इन्सुलेटर के रूप में उपयोग करने की योजना है। नासा ने नए शटल मॉडलों के लिए हीट शील्ड के रूप में एयरजेल के उपयोग की भी घोषणा की। एरोजेल माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स में भी आशाजनक हैं। मुख्यतः इस तथ्य के कारण कि उनमें सबसे कम ढांकता हुआ स्थिरांक है। मल्टीलेयर में इन्सुलेटिंग परतों के रूप में एरोजेल का उपयोग प्रिंटेड सर्किट बोर्ड्सइलेक्ट्रॉनिक्स के प्रदर्शन में उल्लेखनीय वृद्धि होगी। 2007 में, अमेरिकी रसायनज्ञों ने अपने द्वारा बनाए गए एरोजेल प्रस्तुत किए, जो पानी को शुद्ध करने के लिए एक फिल्टर के रूप में काम कर सकते हैं। हानिकारक अशुद्धियाँ, जैसे पारा, सीसा और अन्य जहरीली भारी धातुएँ। अभी तक इन सामग्रियों का उत्पादन काफी सीमित होने के कारण है उच्च कीमत, क्योंकि फिल्टर में प्लैटिनम होता है, लेकिन जब सस्ते एनालॉग के रूप में इसका प्रतिस्थापन मिल जाता है, तो नए प्रकार के प्यूरीफायर ग्रह के जल निकायों को भारी धातुओं से छुटकारा दिलाने में सक्षम होंगे। इसके अलावा, नए एयरोगेल अर्धचालक गुण प्रदर्शित करते हैं और इसलिए, फोटोवोल्टिक कोशिकाओं और अन्य ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किए जा सकते हैं।

क्वार्ट्ज एयरजेल, जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, एक अद्वितीय गर्मी इन्सुलेटर है। यह 500 डिग्री सेल्सियस तक तापमान का सामना कर सकता है, और 2.5 सेमी मोटी परत मानव हाथ को इससे बचाने के लिए पर्याप्त है सीधा प्रभाव टांका लगाने का यंत्र. 1200 C तक के गलनांक वाले एरोजेल की कई किस्में हैं। एरोजेल के गुण काफी हद तक निर्भर करते हैं स्रोत सामग्री, जिससे वे बनाये जाते हैं। एल्यूमिना (एल्यूमीनियम ऑक्साइड के अतिरिक्त), सिलिकॉन डाइऑक्साइड, साथ ही टिन और क्रोमियम ऑक्साइड से बने एरोजेल हैं। हाल ही में, कार्बन-आधारित एरोजेल का उत्पादन किया गया है। उत्प्रेरक के रूप में एरोजेल का उपयोग किया जाता है। नासा वर्तमान में दुर्लभ तत्वों - गैडोलीनियम और टेरबियम युक्त एल्यूमीनियम ऑक्साइड एरोजेल का परीक्षण कर रहा है। इन एयरजेल का उपयोग उच्च गति टकराव डिटेक्टरों के रूप में किया जाता है। एयरजेल की कुछ पारदर्शी किस्मों पर वैज्ञानिकों द्वारा प्रतिस्थापन के रूप में विचार किया जा रहा है खिड़की का शीशा. आख़िरकार, एरोजेल का अपवर्तनांक कांच (1.05 बनाम 1.5) की तुलना में बहुत कम है। विज्ञान पहले ही इस आशाजनक सामग्री की प्रारंभिक नाजुकता पर काबू पाने में कामयाब रहा है; लोचदार और लचीले एरोजेल अब उपलब्ध हैं। एजेंडे में उत्पादन लागत को उस सीमा तक कम करने का मुद्दा है जो बड़े पैमाने पर उपयोग को लाभदायक बनाती है। एरोजेल को अक्सर 21वीं सदी की सामग्री कहा जाता है। क्या ऐसा है, हम जल्द ही देखेंगे।

क्या ऐसे पदार्थ हैं जिनमें 90 प्रतिशत वायु है? और एक ही समय में, ठोस, गर्मी और ध्वनि इन्सुलेटिंग, बिजली का प्रवाहकीय और आम तौर पर एक साथ कई उद्योगों में आवेदन खोजने में सक्षम? हमारी श्रृंखला "पांच तत्व" के अगले लेख में पढ़ें, कौन सा एन+1 NUST MISIS के साथ संयुक्त रूप से एयरोगेल्स - हवा से भरे नैनोमटेरियल्स के बारे में काम कर रहा है।

एरोजेल के गुण

नीचे दी गई तस्वीर सबसे आम एरोजेल में से एक को दिखाती है - जो सिलिकॉन डाइऑक्साइड से बना है। इसके खूबसूरत ओपल-नीले रंग के कारण इसे "नीला धुआं" भी कहा जाता है। बाह्य रूप से, यह एयरजेल बर्फ के टुकड़े जैसा दिखता है, लेकिन वास्तव में यह आश्चर्यजनक रूप से हल्का और कठोर है। और पूरी तरह से सूखा हुआ. यह झाग जैसा लगता है, लेकिन जेली या बर्फ जैसा नहीं। यदि आप इस तरह के "धुएं" का एक टुकड़ा किसी सख्त सतह पर गिराते हैं, तो यह समुद्र तट की गेंद की तरह उछलेगा, और ध्वनि कांच के क्रिसमस ट्री की सजावट के बजने के समान होगी।

सबसे अधिक अन्य एरोजेल हैं अलग - अलग रंग, लेकिन उतना ही भारहीन। इस सामग्री में क्या गुण हैं? यहाँ सबसे विशिष्ट हैं:

अधिकांश एरोजेल अपनी कठोरता के बावजूद, हाथ से आसानी से टूट जाते हैं। यानी, वे नाजुक हैं, लेकिन कठोर हैं - कुछ बिना टूटे अपने वजन से 4000 गुना अधिक वजन का सामना कर सकते हैं।

ईंट एक अल्पकालिक सिलिका ब्लॉक द्वारा समर्थित है

हालाँकि, ऐसे प्लास्टिक एरोजेल पहले ही बनाए जा चुके हैं जिन्हें मोड़ा जा सकता है और जिन्हें हथौड़े से भी मारा जा सकता है। यह वास्तव में ये सामग्रियां हैं जिनका उपयोग भविष्य के मंगल अभियान के हिस्से के रूप में बनाए गए स्पेससूट को इन्सुलेट करने के लिए किए जाने की योजना है। और न केवल स्पेससूट - कपड़े और यात्रा उपकरण के निर्माता पहले से ही ऐसी सामग्रियों के साथ सक्रिय रूप से प्रयोग कर रहे हैं।

एरोजेल का एक और अनूठा पैरामीटर है - क्षेत्र अनुपात पूर्ण सतहवज़न तक: 3200 तक वर्ग मीटरप्रति ग्राम. इसका मतलब यह है कि यदि आप पूरे सतह क्षेत्र को एक विमान के रूप में कल्पना करते हैं, तो इस सामग्री का एक ग्राम आधे फुटबॉल मैदान को कवर करने के लिए पर्याप्त है! यह कैसे हो सकता है? यह सब इस अद्भुत सामग्री की संरचना के बारे में है। यह पता चला है कि एयरजेल लगभग एक ठोस "डोनट होल" है: केवल कुछ नैनोमीटर मोटी (एक मिलीमीटर का दस लाखवां हिस्सा) अति पतली ठोस दीवारें छिद्रों और परतों की एक जटिल त्रि-आयामी भूलभुलैया बनाती हैं। छिद्रों का आकार दसियों से सैकड़ों नैनोमीटर तक होता है और, सामान्य स्थलीय परिस्थितियों में, हवा से भरे होते हैं - यह सामग्री की मात्रा का 90-99 प्रतिशत भरता है। और कभी-कभी, इन सुपर स्पंजों को पूरी तरह से किसी और चीज़ से भरा जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक टैंकर दुर्घटना के कारण समुद्र की सतह पर तेल फैल गया। इसके अलावा, इतने कम वजन वाला इतना बड़ा क्षेत्र आयनिस्टर्स बनाने के लिए उत्कृष्ट है - सैकड़ों और हजारों फैराड की क्षमता वाले सुपरकैपेसिटर (पारंपरिक कैपेसिटर की क्षमता आमतौर पर माइक्रोफ़ारड में मापी जाती है)। शायद वे निकट भविष्य में क्लासिक बैटरियों की जगह ले लेंगे। और आइए उत्प्रेरकों के बारे में न भूलें, क्योंकि उनमें सतह क्षेत्र भी एक निर्णायक भूमिका निभाता है - रासायनिक प्रतिक्रिया पर उत्प्रेरक के प्रभाव की प्रभावशीलता इस पर निर्भर करती है।

जेल क्या है?

तो, एरोजेल के अद्वितीय गुण मुख्य रूप से छोटे खुले छिद्रों के साथ उनकी स्थानिक संरचना पर आधारित होते हैं। बेशक, दीवारों की सामग्री भी मायने रखती है। उदाहरण के लिए, यह काफी हद तक निर्भर करता है यांत्रिक विशेषताएं, साथ ही एक विशेष एयरजेल की विद्युत चालकता।

लेकिन ठोस दीवारों वाले ऐसे जटिल खोखले "बुलबुले" व्यवहार में कैसे प्राप्त किए जा सकते हैं? इसका उत्तर सामग्री के नाम में ही निहित है। एरोजेल बनाने के लिए जैल प्रारंभिक सामग्री है। वही जैल, नम और भारी, जेली वाले मांस की तरह। वैसे, प्रसिद्ध जिलेटिन भी इस नैनोमटेरियल को बनाने के लिए उपयुक्त है। वैसे, जेल क्या है? स्पर्श करने के लिए, हम सभी को इस पदार्थ का अच्छा विचार है, लेकिन सूक्ष्म स्तर पर यह क्या दर्शाता है? यह पता चला है कि किसी भी जेल में अलग-अलग भौतिक गुणों वाले दो घटक होते हैं: एक सतत छिद्रपूर्ण स्थानिक संरचना के रूप में एक ठोस चरण जो पूरे नमूने में व्याप्त होता है, और एक तरल चरण जो छिद्रों को भरता है। इसके अलावा, ठोस चरण का विशिष्ट आकार केवल दसियों नैनोमीटर होता है, क्योंकि जैल में ठोस चरण आमतौर पर नैनोकणों या लंबे मैक्रोमोलेक्यूल्स का समूह होता है।

एक विशिष्ट जेल को तरल में भिगोए गए फोम डिशवॉशिंग स्पंज के रूप में सोचा जा सकता है। केवल ऐसे स्पंज के छिद्र हमारी रसोई में मौजूद स्पंज की तुलना में सैकड़ों-हजारों गुना छोटे होते हैं। यदि आप ऐसे स्पंज से सारा तरल निकाल दें तो क्या होगा? परिणाम हवा से भरे छिद्रों वाला एक सूखा स्पंज है। तो यह एयरजेल है! यह पता चला है कि इस सामग्री को प्राप्त करने के लिए किसी भी जेल को सुखाना ही पर्याप्त है? दुर्भाग्यवश नहीं। अभ्यास से पता चलता है कि जब तरल चरण वाष्पित हो जाता है, तो जेल की मात्रा तेजी से कम होने लगती है और अंत में, हमें शुष्क पदार्थ की एक छोटी घनी गांठ मिलती है, न कि अल्ट्रा-लो घनत्व के साथ वांछित झरझरा नैनोमटेरियल। लेकिन फोम स्पंज मात्रा में कमी किए बिना क्यों सूख जाता है, जबकि इसका जेल समकक्ष पूरी तरह से अलग व्यवहार करता है? और इससे कैसे निपटें?

वास्तव में, स्पंज और वास्तविक जेल वाले हमारे मॉडल के बीच मूलभूत अंतर छिद्रों का आकार है: स्पंज के लिए उन्हें मिलीमीटर में मापा जाता है, और जैल के लिए वे दसियों नैनोमीटर होते हैं, यानी अंतर होता है परिमाण के लगभग पाँच क्रम। अब आइए कल्पना करें कि छिद्रों से तरल कैसे वाष्पित होता है: कुछ बिंदु पर तरल उन्हें पूरी तरह से भरना बंद कर देता है, और हवा के साथ मिश्रित इस तरल के तरल और वाष्प के बीच एक सीमा दिखाई देती है। जैसा कि ज्ञात है, सतह तनाव बल हमेशा तरल की सीमा पर कार्य करते हैं, जो तरल की सतह और बर्तन की दीवारों (हमारे मामले में, छिद्रों की दीवारों) के बीच परस्पर क्रिया का कारण बनते हैं। यदि दीवारें अच्छी तरह से गीली हैं, तो तरल की सतह अवतल आकार ले लेती है और दीवारों पर एक बल कार्य करता है, जो उन्हें बर्तन में खींच लेता है। तरल सीमा के साथ छिद्र दीवार की प्रति इकाई लंबाई पर इस बल का परिमाण छिद्र त्रिज्या पर निर्भर नहीं करता है। लेकिन साथ ही, जेल में इन छिद्रों की दीवारें हमारे स्पंज की तुलना में हजारों गुना पतली होती हैं। यह पता चला है कि जेल और स्पंज में दीवारों पर लागू विशिष्ट बल समान है, लेकिन इन दीवारों की मोटाई और, तदनुसार, उनकी यांत्रिक शक्ति पूरी तरह से अलग है। यह आश्चर्य की बात नहीं है कि स्पंज के छिद्र उनमें भरने वाले तरल के सूखने का सामना कर सकते हैं, लेकिन जेल के छिद्र ऐसा नहीं कर सकते। इसलिए सूखने पर जेल का "सिकुड़ना" - छिद्रों में तरल की सतह वाष्पित होने पर एक के बाद एक नाजुक दीवारों को तोड़ देती है, और परिणामस्वरूप हमें टूटी हुई दीवारों की एक सूखी चिपचिपी गांठ मिलती है, न कि ओपनवर्क संरचना एरोजेल की विशेषता.

जेल को कैसे सुखाएं

आप जेल की संरचना को नष्ट किए बिना उसके नाजुक छिद्रों से तरल पदार्थ कैसे निकाल सकते हैं? इसका समाधान 1931 में अमेरिकी वैज्ञानिक सैमुअल स्टीफेंस किस्टलर ने खोजा था। कुछ रिपोर्टों के अनुसार, उन्होंने अपने सहयोगी से शर्त लगाई कि वह इस नाजुक ऑपरेशन को अंजाम देने वाले पहले व्यक्ति हो सकते हैं और उन्होंने शर्त जीत ली। किस्टलर का विचार तरल की सतह और उससे जुड़ी तनाव शक्तियों से छुटकारा पाना था, क्योंकि यह सतह ही है जो सभी परेशानियों का कारण है। आइए कल्पना करें कि हमारे पास एक सीलबंद ग्लास फ्लास्क है जो तरल से आधा भरा हुआ है। पारदर्शी दीवारों के माध्यम से हम इसके ऊपर तरल और गैस की सीमा देखेंगे। अब फ्लास्क को गर्म करना शुरू करते हैं। अंदर का तरल वाष्पित हो जाएगा, जिससे इसकी सतह के ऊपर भाप की मात्रा और दबाव बढ़ जाएगा। और, ज़ाहिर है, इस भाप का तापमान भी। यदि आप लंबे समय तक गर्म करना जारी रखते हैं, तो एक निश्चित समय पर फ्लास्क के अंदर दबाव और तापमान इस स्तर तक पहुंच जाएगा कि वाष्प का घनत्व तरल के घनत्व के बराबर हो जाएगा और उनके बीच की सीमा गायब हो जाएगी। . और वाष्प और तरल स्वयं हमारी परिचित विशेषताओं को खो देंगे (उदाहरण के लिए, तरल संपीड़ित हो जाएगा) और एक अविभाज्य पूरे में बदल जाएंगे। चरण इंटरफ़ेस के साथ, सतह तनाव बल भी गायब हो जाएंगे। ऐसे तापमान और दबाव जिस पर भाप का द्रव से और द्रव का वाष्प से भिन्न होना बंद हो जाता है, उसे ऊष्मागतिकी में कहा जाता है गंभीरऔर के रूप में चित्रित किया गया है महत्वपूर्ण बिन्दूचरण आरेख पर:

पानी के लिए, महत्वपूर्ण तापमान और दबाव क्रमशः 374 डिग्री सेल्सियस और 218 वायुमंडल हैं। अर्थात्, यदि हम जल-आधारित जेल के साथ कक्ष में दबाव को 218 वायुमंडल या उससे अधिक तक बढ़ाते हैं और फिर तापमान को 374 डिग्री सेल्सियस से ऊपर बढ़ाते हैं, तो भाप और पानी के बीच कोई भी अंतर गायब हो जाएगा - हमें तथाकथित मिलेगा सुपर तरल. जेल के प्रत्येक छिद्र के अंदर बहुत सघन भाप या पानी होगा, जो ऐसी परिस्थितियों में मूलतः एक ही चीज़ है। यदि हम अब तापमान को क्रिटिकल से ऊपर बनाए रखते हुए दबाव को क्रिटिकल और उससे नीचे कम करना शुरू कर दें, तो यह सघन वाष्प धीरे-धीरे बिना किसी संघनन के जेल छोड़ना शुरू कर देगी। फिर आप तापमान कम करना शुरू कर सकते हैं जब तक कि बची हुई भाप जेल से बाहर न निकल जाए और यह हवा से भरे हुए सूखे एयरजेल में न बदल जाए जिसकी हमें ज़रूरत है। वर्णित प्रक्रिया कहलाती है सुपर क्रिटिकल सुखानेऔर एक लाल तीर के साथ दिखाया गया है।

चूँकि, इस परिदृश्य के अनुसार, तरल के वाष्प में परिवर्तन के दौरान तरल और गैसीय मीडिया के बीच कोई इंटरफ़ेस नहीं होता है, छिद्रों के अंदर कोई सतह तनाव बल नहीं होते हैं और वे सुखाने की प्रक्रिया के दौरान बरकरार रहते हैं। हरा तीर सूखने की स्थिति को इंगित करता है जहां तरल वाष्प में बदल जाता है सामान्य तरीके से. इस मामले में हमारे पास दो का एक साथ अस्तित्व है चरण अवस्थाएँ, इंटरफ़ेस और, तदनुसार, जेल संरचना का विनाश। नीला तीर दर्शाता है कि एक तीसरा तरीका भी संभव है, जिसे फ़्रीज़ ड्राईंग कहा जाता है। इस परिदृश्य में, छिद्रों के अंदर का तरल पदार्थ पहले स्थानांतरित किया जाता है ठोस अवस्थाजमने से और फिर, कम दबाव में, तरल चरण (और उससे जुड़ी सतह तनाव की समस्याओं) को दरकिनार करते हुए, ठोस चरण को गैसीय चरण में परिवर्तित किया जाता है। व्यवहार में, यह विकल्प वास्तव में कुछ प्रकार के एरोजेल प्राप्त करना संभव बनाता है।

में वास्तविक जीवनपानी के उच्च क्रांतिक तापमान और दबाव के कारण एरोजेल के निर्माण के लिए पानी आधारित जैल का सीधा उपयोग बहुत असुविधाजनक है। इसलिए, सुखाने शुरू होने से पहले, जेल के मूल तरल घटक को आमतौर पर महत्वपूर्ण बिंदु के संदर्भ में अधिक उपयुक्त घटक से बदल दिया जाता है। ऐसा प्रतिस्थापन, उदाहरण के लिए, मिथाइल अल्कोहल (महत्वपूर्ण तापमान - 250 डिग्री सेल्सियस, क्रांतिक दबाव - 77 वायुमंडल) हो सकता है। यह अल्कोहल था जिसका उपयोग किस्टलर ने गैर-कार्बन डाइऑक्साइड से बनी दीवारों के साथ एरोजेल प्राप्त करने के लिए किया था। कार्बनिक यौगिक. ऑर्गेनिक्स के लिए, उन्होंने सुपरक्रिटिकल सुखाने के दौरान जेल के तरल घटक के रूप में तरलीकृत प्रोपेन की सिफारिश की। एसीटोन और तरलीकृत कार्बन डाइऑक्साइड का भी उपयोग किया जाता है। सामान्य तौर पर, आज एरोजेल तैयार करने के लिए बहुत सारे "व्यंजनों" हैं। आप इसे घर पर बनाने के लिए इंटरनेट पर सिफ़ारिशें भी पा सकते हैं।

रूस में, कई वैज्ञानिक केंद्र एरोजेल पर अनुसंधान में लगे हुए हैं, जिनमें NUST MISIS में समग्र सामग्री केंद्र भी शामिल है। केंद्र के शोधकर्ता, भौतिक और गणितीय विज्ञान के उम्मीदवार फेडर सेनटोव ने पदार्थ की सुपरक्रिटिकल स्थिति का उपयोग करने की तकनीकी संभावनाओं के बारे में निम्नलिखित टिप्पणी दी: "दिलचस्प और उपयोगी सुविधाएक सुपरक्रिटिकल अवस्था (द्रव) में पदार्थ यह है कि इसकी मदद से न केवल जेल में सरंध्रता बनाना संभव है, बल्कि सामग्री को संशोधित करना, साथ ही इसमें से अनावश्यक अशुद्धियों को निकालना भी संभव है। उदाहरण के लिए, आप किसी औषधीय पदार्थ को सुपरक्रिटिकल तरल में घोल सकते हैं और इस तरल से पॉलिमर जेल का उपचार कर सकते हैं। जब तरल पदार्थ जेल में प्रवेश करता है, तो यह अपने साथ दवा लाएगा, जो दबाव कम होने और तरल पदार्थ निकलने के बाद पॉलिमर में रहेगा। इस प्रकार, एक एयरजेल प्राप्त किया जाएगा जिसका उपयोग दवा में एक साथ औषधीय प्रभाव के साथ जैविक तरल पदार्थों के अल्ट्राफिल्ट्रेशन के लिए किया जा सकता है।

उसी विधि का उपयोग करके, आप सामग्री से अनावश्यक अशुद्धियाँ हटा सकते हैं। इस विधि, जिसे साहित्य में सुपरक्रिटिकल द्रव निष्कर्षण (एसएफई) कहा जाता है, का उपयोग दोनों में काफी लंबे समय से किया जा रहा है। प्रयोगशाला अनुसंधान, और में औद्योगिक उत्पादन. सुपरक्रिटिकल द्रव निष्कर्षण का सबसे आम उदाहरण कॉफी के डिकैफ़िनेशन के लिए एससीसीओ2 का उपयोग है। SCCO 2 का उपयोग करके दुनिया में हर साल एक लाख टन से अधिक डिकैफ़िनेटेड कॉफ़ी का उत्पादन किया जाता है।

धातु आक्साइड. उत्प्रेरकों के निर्माण के लिए संगत एरोजेल का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इनमें आम तौर पर निकेल के साथ एल्यूमीनियम ऑक्साइड होता है। नासा अल्ट्रा-हाई-एनर्जी कॉस्मिक कणों का पता लगाने के लिए गैडोलीनियम और टेरबियम के साथ एल्यूमीनियम एयरजेल का उपयोग करता है। तथ्य यह है कि जब ऐसे कण इनमें प्रवेश करते हैं तो ये एरोजेल प्रतिदीप्त हो जाते हैं, जिससे उन्हें रिकॉर्ड करना संभव हो जाता है। इसके अलावा, विकिरण शक्ति कण की ऊर्जा पर निर्भर करती है। मेटल ऑक्साइड एरोजेल का रंग व्यापक रूप से भिन्न होता है।

कार्बनिक पॉलिमर. उदाहरण के लिए, अगर-अगर से बना एयरजेल, वही जो फलों की जेली में मिलाया जाता है। एक अन्य कार्बनिक पदार्थ, सेलूलोज़, का उपयोग लचीले एरोजेल का उत्पादन करने के लिए किया जाता है।

काल्कोजन. इस समूह में शामिल हैं: सल्फर, सेलेनियम, टेल्यूरियम, आदि।

कैडमियम सेलेनाइड . इस सामग्री से बने एयरजेल में अर्धचालक गुण होते हैं।

इसके अलावा, ठोस चरण की संरचना में विभिन्न संशोधित योजकों को शामिल करके एरोजेल के गुणों को और अधिक संशोधित किया जा सकता है।

वर्तमान में, ऐसे मुख्य उद्योग खंड हैं जिनमें एयरोगेल ने अपना आवेदन पाया है:

सर्गेई पेत्रोव

जब ऊर्जा की लागत बढ़ती है, तो इसे अधिक कुशलता से उपयोग करने की आवश्यकता बढ़ जाती है। यह अनुमान लगाया गया है कि हम जो ऊर्जा उपयोग करते हैं उसका 40% हमारे घरों को गर्म रखने में खर्च होता है। इस ऊर्जा का 30% से अधिक हिस्सा दीवारों (निर्माण में) के माध्यम से खर्च होता है यह प्रोसेसथर्मल ब्रिज कहा जाता है)।

नासा द्वारा विकसित प्रौद्योगिकी के आधार पर, सबसे उच्च इन्सुलेशन मौजूदा सामग्रीथर्माब्लॉक ब्रांड ने एक अद्भुत उत्पाद बनाया है जिसकी निर्माण उद्योग में मांग हो सकती है। एयरजेल, जिसे "जमा हुआ धुआं" भी कहा जाता है, इसकी नाजुक संरचना के कारण इसे व्यापक उपयोग के लिए अनुकूलित करना मुश्किल हो गया है। हालाँकि, थर्माब्लोक की पेटेंट सामग्री में अद्वितीय फाइबर होते हैं जो इसके अद्भुत इन्सुलेट गुणों को बनाए रखते हुए इसे फ्लेक्स और संपीड़ित करने की अनुमति देते हैं।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग के ओक रिज प्रयोगशाला के वैज्ञानिकों के अनुसार, प्लास्टरबोर्ड के साथ एक दीवार को कवर करने से पहले प्रत्येक प्रोफ़ाइल के साथ एयरजेल (6.25 मिमी x 38 मिमी) की सिर्फ एक पट्टी दीवारों की इन्सुलेशन क्षमता को 40% से अधिक बढ़ा देती है।

थर्माब्लोक सामग्री अनुसंधान कंपनी Acoustiblok (R) द्वारा विकसित की गई थी। शोध का नेतृत्व करने वाले मार्क नोथस्टीन ने कहा: “बेशक, ठोस पदार्थ हवा या वैक्यूम की तुलना में गर्मी के बेहतर संवाहक होते हैं। इस प्रकार, लकड़ी पर दीवार में या धातु प्रोफाइलयह वे प्रोफ़ाइल हैं जो दीवार के दोनों किनारों को यांत्रिक रूप से जोड़कर, गर्मी के हस्तांतरण में भाग लेती हैं। थर्मल विश्लेषण से पता चलता है कि प्रोफाइल चालन बिंदु हैं। चूंकि थर्माब्लोक (टीएम) एयरजेल 95% वायु है और प्रोफ़ाइल और ड्राईवॉल के बीच स्थित है, यह यांत्रिक संपर्क (थर्मल ब्रिज) को रोकता है।

नासा कई वर्षों से एयरजेल इन्सुलेशन तकनीक विकसित कर रहा है, इसका उपयोग अंतरिक्ष शटल, स्पेस सूट और मंगल ग्रह के नवीनतम मिशन सहित अन्य उन्नत अनुप्रयोगों में किया जा रहा है। यह तकनीक इस क्षेत्र में एक संभावित सफलता है तर्कसंगत उपयोगऊर्जा और ऊर्जा-कुशल भवनों का निर्माण।

एकॉस्टीब्लॉक के अध्यक्ष और संस्थापक, लाचनी जॉनसन एक नया उत्पाद बनाने के लिए प्रेरित हुए हैं जो कंपनी के पहले से ही स्थापित पर्यावरण-अनुकूल एकॉस्टीब्लॉक उत्पाद का विस्तार है। जॉनसन को गर्व है कि उनकी कंपनी ऐसे उत्पाद बनाती है जो न केवल पर्यावरण के अनुकूल हैं, बल्कि ऊर्जा कुशल भी हैं। वह कहते हैं, ''पारंपरिक निर्माण के साथ-साथ सुरक्षा में भी सामग्री के उपयोग की संभावनाएं अनंत हैं।'' गोपनीयताइसके ध्वनिक गुणों के कारण।"

थर्माब्लॉक सामग्री के लाभ:

• ऊर्जा लागत कम कर देता है,
• पूरी तरह से विषय पुन: उपयोग,
• इसमें ऐसे पदार्थ नहीं होते जो ओजोन परत को नष्ट करते हैं,
• 30% से अधिक पुनर्नवीनीकरण सामग्री से बना है,
• समग्र सामग्री, 95% से अधिक वायु से युक्त,
• जल-विकर्षक, नमी, फफूंदी या पानी से अप्रभावित,
• चिपकना आसान,
• आग लगने की स्थिति में इसे पानी से आसानी से बुझाया जा सकता है,
• किफायती,
• व्यावहारिक रूप से इसका वजन कुछ भी नहीं होता है और इसके लिए बड़ी परिवहन लागत की आवश्यकता नहीं होती है,
• ध्वनि इन्सुलेशन को बढ़ावा देता है,
• टिकाऊ क्योंकि यह वायुमंडलीय नमी के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है,
• संयुक्त राज्य अमेरिका में निर्मित।

एरोगेल्स (अक्षांश से। आका- वायु और जिलेटस- जमे हुए) - सामग्रियों का एक वर्ग जो एक जेल है जिसमें तरल चरण को पूरी तरह से गैसीय चरण द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पदार्थ में रिकॉर्ड कम घनत्व होता है, हवा के घनत्व का केवल डेढ़ गुना, और कई अन्य अद्वितीय गुण: कठोरता, पारदर्शिता, गर्मी प्रतिरोध, बेहद कम तापीय चालकता और जल अवशोषण की कमी।

एयरजेल का सामान्य दृश्य

एयरजेल इस मायने में भी अनोखा है कि इसमें 99.8%... हवा होती है!

अनाकार सिलिकॉन डाइऑक्साइड, एल्यूमिना, और क्रोमियम और टिन ऑक्साइड पर आधारित एयरोगेल आम हैं। 1990 के दशक की शुरुआत में, कार्बन-आधारित एयरजेल के पहले नमूने प्राप्त किए गए थे।

एयरगेल मानव हाथों की एक बहुत ही असामान्य रचना है, इस सामग्री को इसके अद्वितीय गुणों के लिए गिनीज बुक ऑफ रिकॉर्ड्स में 15 स्थानों से सम्मानित किया गया है।

एरोजेल मेसोपोरस सामग्रियों के वर्ग से संबंधित हैं, जिनमें गुहाएं कम से कम 50% मात्रा में होती हैं। एरोजेल की संरचना 2-5 एनएम आकार के क्लस्टर्ड नैनोकणों और 100 एनएम आकार तक के छिद्रों का एक पेड़ जैसा नेटवर्क है।

स्पर्श करने पर, एरोजेल हल्के लेकिन कठोर फोम जैसा दिखता है, कुछ-कुछ पॉलीस्टाइन फोम जैसा। भारी भार के तहत, एयरजेल टूट जाता है, लेकिन सामान्य तौर पर यह एक बहुत ही टिकाऊ सामग्री है - एक एयरजेल नमूना अपने वजन से 2000 गुना अधिक भार का सामना कर सकता है। एरोजेल, विशेष रूप से क्वार्ट्ज वाले, अच्छे ताप रोधक होते हैं।

क्वार्ट्ज एरोजेल सबसे आम हैं और सबसे कम घनत्व का वर्तमान रिकॉर्ड भी रखते हैं एसएनएफ- 1.9 किग्रा/वर्ग मीटर, यह पानी के घनत्व से 500 गुना कम और हवा के घनत्व से केवल 1.5 गुना अधिक है।

क्वार्ट्ज एयरोगेल सामान्य रूप से हवा में अपनी बेहद कम तापीय चालकता (~0.017 W/(m.K)) के कारण भी लोकप्रिय हैं। वायु - दाब), हवा की तापीय चालकता (0.024 W/(m.K)) से कम।

एयरजेल का अनुप्रयोग

एरोजेल का उपयोग निर्माण और उद्योग में स्टील पाइपलाइनों के थर्मल इन्सुलेशन के लिए गर्मी-इन्सुलेटिंग और गर्मी बनाए रखने वाली सामग्री के रूप में किया जाता है, उच्च और उच्च क्षमता वाले विभिन्न उपकरण कम तापमान वाली प्रक्रियाएं, इमारतें और अन्य वस्तुएँ। यह 650 डिग्री सेल्सियस तक तापमान का सामना कर सकता है, और 2.5 सेमी मोटी परत मानव हाथ को ब्लोटरच के सीधे संपर्क से बचाने के लिए पर्याप्त है।

क्वार्ट्ज एयरजेल का गलनांक 1200°C है।

एयरजेल उत्पादन

एरोजेल के उत्पादन की प्रक्रिया जटिल और श्रम-गहन है। सबसे पहले, जेल रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करके पोलीमराइज़ करता है। इस ऑपरेशन में कई दिन लगते हैं और आउटपुट एक जेली जैसा उत्पाद होता है। फिर जेली से अल्कोहल के साथ पानी निकाल दिया जाता है। इसका पूर्ण निष्कासन ही पूरी प्रक्रिया की सफलता की कुंजी है। अगला चरण "सुपरक्रिटिकल" सुखाने का है। इसे तरलीकृत कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करके उच्च दबाव और तापमान पर एक आटोक्लेव में उत्पादित किया जाता है।

एयरजेल के आविष्कार में प्रधानता को अमेरिका के कैलिफोर्निया के स्टॉकटन में पैसिफिक कॉलेज के रसायनज्ञ स्टीवन किस्टलर ने मान्यता दी है, जिन्होंने 1931 में नेचर पत्रिका में अपने परिणाम प्रकाशित किए थे।

किस्टलर ने जेल में तरल को मेथनॉल से बदल दिया, और फिर जेल को दबाव में तब तक गर्म किया जब तक कि मेथनॉल का महत्वपूर्ण तापमान (240 डिग्री सेल्सियस) तक नहीं पहुंच गया। मेथनॉल ने मात्रा में कमी किए बिना जेल छोड़ दिया; तदनुसार, जेल "सूख गया", लगभग सिकुड़े बिना।

एयरजेल सामग्रियों का एक वर्ग है जो एक जेल है जिसमें तरल चरण को पूरी तरह से गैसीय चरण द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पदार्थ का घनत्व रिकॉर्ड कम होता है, हवा के घनत्व से केवल डेढ़ गुना अधिक होता है, और कई अन्य अद्वितीय गुण: कठोरता, पारदर्शिता, गर्मी प्रतिरोध, बेहद कम तापीय चालकता और अनुपस्थिति जल अवशोषण।

एयरजेल, यह किस प्रकार की सामग्री है?

(लैटिन एयर से - वायु और जिलेटस - जमे हुए) - सामग्रियों का एक वर्ग जो एक जेल होता है जिसमें तरल चरण को पूरी तरह से गैसीय द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप पदार्थ में रिकॉर्ड कम घनत्व होता है, केवल एक और ए हवा के घनत्व का आधा गुना, और कई अन्य अद्वितीय गुण: कठोरता, पारदर्शिता, गर्मी प्रतिरोध, अत्यंत कम तापीय चालकता और जल अवशोषण की कमी।

अक्सर airgelइसके कारण इसे "जमा हुआ धुआं" कहा जाता है उपस्थिति. दिखने में यह कुछ-कुछ जमे हुए धुएं जैसा दिखता है। छूने के लिए airgelहल्के लेकिन कठोर फोम जैसा दिखता है, कुछ-कुछ पॉलीस्टाइन फोम जैसा।

एक पेड़ की तरह का प्रतिनिधित्व करता है जालगुच्छित से नैनोकणोंआकार में 2-5 एनएम, कठोरता से परस्पर जुड़ा हुआ। यह फ्रेम 0.13 से 15% तक आयतन का एक छोटा सा हिस्सा घेरता है, बाकी छिद्र होता है।

एरोजेल्समेसोपोरस सामग्रियों के वर्ग से संबंधित हैं।

एरोजेल आम हैं भिन्न प्रकृति का: दोनों अकार्बनिक - अनाकार सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO 2), एल्यूमिना (Al 2 O 3), ग्राफीन (एरोग्राफीन कहा जाता है), ग्रेफाइट (एरोग्राफाइट कहा जाता है), साथ ही क्रोमियम और टिन ऑक्साइड पर आधारित, और कार्बनिक - पॉलीसेकेराइड, सिलिकॉन पर आधारित , कार्बन. आधार के आधार पर, एरोजेल विभिन्न गुण प्रदर्शित करते हैं। हालाँकि, वहाँ हैं सामान्य विशेषता, इस सामग्री के संपूर्ण वर्ग की विशेषता।

हीट इंसुलेटर के रूप में, इसका निर्माण मैट और रोल के रूप में किया जाता है।

एयरजेल के गुण और फायदे:

– उच्च सरंध्रता. 99.8% वायु है,

– ठोस पदार्थों के सबसे कम घनत्व का रिकॉर्ड है - 1.9 किग्रा/वर्ग मीटर, यह पानी के घनत्व से 500 गुना कम और हवा के घनत्व (क्वार्ट्ज एरोजेल) से केवल 1.5 गुना अधिक है।

- एक अनोखा हीट इन्सुलेटर।इसकी तापीय चालकता कम है - λ = 0.013 ~ 0.019 W/(m K) (सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर हवा में) हवा की तापीय चालकता (0.024 W/(m K) (क्वार्ट्ज एरोजेल) से कम है। इन्सुलेशन के रूप में यह 2 है -पारंपरिक इन्सुलेशन से 5 गुना अधिक प्रभावी,

– गलनांक 1200°C (क्वार्ट्ज एयरजेल) है,

– एयरजेल है टिकाऊ सामग्री. यह अपने वजन से 2000 गुना अधिक भार सहन कर सकता है,

– यंग मापांक कम है,

- संपीड़ित नहीं करता है, विरूपण के लिए प्रतिरोधी है, उच्च तन्यता ताकत है,

– ध्वनि प्रसार की गति सबसे अधिक होती है कम मूल्यके लिए कठोर सामग्री, जो बनाते समय एक महत्वपूर्ण लाभ है ध्वनिरोधी सामग्री।इसमें ध्वनि की गति गैसों में ध्वनि की गति से कम होती है,

- कुछ प्रकार के एयरजेल उत्कृष्ट शर्बत हैं।वे लोकप्रिय आधुनिक शर्बत सामग्रियों की तुलना में 7-10 गुना अधिक प्रभावी हैं,

– एक स्थिर छिद्रयुक्त पदार्थ है। एयरजेल के अंदर छिद्रों का आयतन सामग्री द्वारा व्याप्त आयतन से दसियों गुना अधिक है। यह संपत्तिकार्बनिक यौगिकों के उत्पादन के लिए रासायनिक प्रक्रियाओं में उत्प्रेरक के रूप में एक निश्चित संरचना के एयरजेल के उपयोग की अनुमति देता है। दूसरी ओर, इसकी बड़ी आंतरिक क्षमता का उपयोग कुछ पदार्थों, जैसे रॉकेट ईंधन, ऑक्सीडाइज़र इत्यादि को सुरक्षित रूप से संग्रहीत करने के लिए किया जा सकता है।

-उत्कृष्ट हाइड्रोफोबिसिटी। नमी को अवशोषित नहीं करता

- उच्च ताप प्रतिरोध और ऊष्मा प्रतिरोध है। विस्तृत कार्य है तापमान की रेंजउपयोग - -200 डिग्री सेल्सियस से +1000 (1200) डिग्री सेल्सियस तक। थर्मल इन्सुलेशन को सुरक्षित रखता है और यांत्रिक विशेषताएंजब कम से कम 1000°C तक गर्म किया जाए,

- है गैर ज्वलनशील पदार्थ. अग्नि सुरक्षा के लिए भी उपयोग किया जा सकता है विभिन्न डिज़ाइन,

- पारदर्शी (क्वार्ट्ज एयरजेल)। इसका प्रकाश अपवर्तनांक 1.1 से 1.02 तक होता है। इससे बनाया जा सकता है विभिन्न प्रकारकाँच,

-पर्याप्त है उच्च कठोरता,

– स्थायित्व,

- पर्यावरण के अनुकूल और मनुष्यों और पर्यावरण के लिए सुरक्षित,

– एक बड़ा विशिष्ट क्षेत्र है भीतरी सतह. यह लगभग 300-1000 m2/g है,

– रासायनिक संरचनाएयरजेल को समायोजित किया जा सकता है, इसकी संरचना में विभिन्न योजक आसानी से जोड़े जा सकते हैं, जो इसके उपयोग के लिए नई संभावनाएं खोलता है,

- अम्ल, क्षार, विलयन के प्रति प्रतिरोधी,

- साथ ही यह एक नाजुक सामग्री है।

एयरजेल का प्रयोग:

- वी वैज्ञानिक अनुसंधानपरमाणु भौतिकी के क्षेत्र में,

- ध्वनि इन्सुलेशन के लिए,

- इमारतों, संरचनाओं, गोदामों, रेफ्रिजरेटर, तेल पाइपलाइनों, पाइपों, अन्य वस्तुओं और उपकरणों के थर्मल इन्सुलेशन के लिए,

- अग्नि सुरक्षा के लिए,

एयरगेल इनोवेशन:

वैज्ञानिकों ने एक अवधारणा प्रस्तावित की है ग्रहों के अलग-अलग क्षेत्रों का भू-निर्माण : मंगल, चंद्रमा, शुक्र आदि पर कृत्रिम गुंबद बनाकर या स्क्रीनपरत से