Evde DIY aerojel. Aerojel, insan elinin alışılmadık bir yaratımıdır. Aerojel, nasıl bir malzeme?

Aerojel - çok sıradışı yaratım insan eli, benzersiz nitelikleri nedeniyle Guinness Rekorlar Kitabı'nda 15 pozisyona layık görülen bir malzeme. "Aerojel" adı iki kelimeden geliyor Latince kelimeler hava - hava ve jelatus - dondurulmuş. Bu nedenle aerojele genellikle "donmuş duman" adı verilir.

Bununla birlikte, görünüşte aerojel gerçekten donmuş dumanı andırıyor. Aerojel, içinde sıvı faz bulunmayan, tamamen gaz halindeki bir fazla değiştirilen, bunun sonucunda maddenin rekor düşük yoğunluğa, hava yoğunluğunun yalnızca bir buçuk katı ve bir dizi başka benzersiz özelliğe sahip olduğu alışılmadık bir jeldir. nitelikleri: sertlik, şeffaflık, ısı direnci vb. Aerojel de şaşırtıcı çünkü %99,8'i havadan oluşuyor!
Aerojelin ortaya çıkış tarihi hala tam olarak anlaşılamamıştır. Sadece Amerikalı bilim adamı Samuel Kistler'in yirmili yılların sonlarında veya geçen yüzyılın otuzuncu yılında Stockton'daki (Kaliforniya) Pasifik Koleji'nde bu ödülü alan ilk kişi olduğu biliniyor. Bazen olduğu gibi, bilimsel araştırmalarda, neredeyse tesadüfen, amino asitlerin süperkritik aşırı doymuş sıvılarda kristalleşmesinin bir yan ürünü olarak elde edilir. Bilim adamı, normal bir jelin içindeki sıvıyı metanolle değiştirerek aerojel üretimini başardı. Bundan sonra jel, yüksek basınç altında 240 dereceye (metanol için kritik sıcaklık) ısıtıldı. Bu noktada metanol gazı jelden ayrıldı ancak susuz kalan köpüğün hacmi azalmadı. Sonuç olarak, daha sonra aerojel olarak adlandırılan hafif, ince gözenekli bir malzeme oluştu. Yeni materyalin resmi olarak ortaya çıktığı tarih, Nature dergisinde bu konuyla ilgili bir makalenin yayınlandığı tarih olan 1931 olarak kabul ediliyor. “Aerojel” teriminin kökeni de bilinmemektedir. Bunu konuşmamıza Kistler'in kendisinin mi kattığı, yoksa meslektaşlarının imalarından yararlanıp yararlanmadığı bir sır olarak kalıyor. İlk aerojel bir bilim adamı tarafından kuvarstan elde edildi. Daha sonra bu malzemeyi metal oksitlerden yapmayı öğrendiler. organik madde ve diğer birçok başlangıç ​​maddesi.
Yapı olarak aerojeller, homojen gruplar (kümeler) ve boyutu 100 nanometreye kadar hava dolu gözenekler halinde birleştirilmiş 2-5 nanometre boyutunda parçacıklardan oluşan ağaç benzeri bir ağdır. Dışarıdan, aerojel en çok şeffaf veya yarı saydam donmuş sabun köpüğüne benzer. Çıplak gözle bakıldığında aerojel katı, homojen bir madde gibi görünür, bu da onu çeşitli köpükler gibi gözenekli ortamlardan ayırır. Aerojel ayrıca dokunuşta donmuş köpük hissi veriyor. Bu oldukça güçlü bir malzemedir - aerojel, kendi ağırlığının 2000 katı kadar bir yüke dayanabilir. Örneğin, 2,38 g ağırlığındaki küçük bir aerojel bloğu, 2,5 kg ağırlığındaki bir tuğlaya kolaylıkla dayanabilir!

Kuvars aerojelleri çok iyi bir ısı yalıtkanıdır. Aerojel üretme süreci karmaşık ve emek yoğundur. İlk olarak, kullanarak kimyasal reaksiyonlar jel polimerize olur. Bu işlem birkaç gün sürer ve çıktı jöle benzeri bir üründür. Daha sonra alkolle birlikte jölenin suyu uzaklaştırılır. Tamamen kaldırılması, tüm sürecin başarısının anahtarıdır. Bir sonraki adım “süperkritik” kurutmadır. Otoklavda üretilir yüksek tansiyon ve sıcaklık, proses sıvılaştırmayı içerir karbon dioksit Kuvars aerojelin yalıtım malzemesi olarak uygulamalı kullanımı yirminci yüzyılın kırklı yıllarında başladı. Ünlü şirket Monsanto bu ürünü Kistler ile yaptığı lisans anlaşması kapsamında üretti. Ancak yüksek maliyetlerinden dolayı aerojel ısı yalıtıcıları yaygın olarak kullanılmadı ve yetmişli yıllarda üretimi kısıtlandı. Aerojeller ancak geçen yüzyılın sonunda, başta uzay endüstrisinde olmak üzere insanlık tarafından yeniden yaygın olarak kullanılmaya başlandı. en önemli unsur Stardust uzay sondası tarafından Wild 2 kuyruklu yıldızının kuyruğundan milyonlarca küçük parçacığı yakalamak ve iniş aracını bu örneklerle birlikte dünyaya getirmek için kullanılan dizi yakalayıcı. Bu arada, prob tarafından yakalanan çeşitli parçacıklar arasında, protein oluşumu için en önemli amino asit olan glisin izleri de bulundu. Yaşamın dünya dışı kökeni teorisini paylaşan bilim insanları için bu bulgu, onların haklı olduğunun dolaylı bir kanıtı oldu.
Aerojelin, NASA'nın Mars projesi için oluşturulan Amerikan yapımı uzay giysilerinde benzersiz bir ısı yalıtkanı olarak kullanılması planlanıyor. NASA ayrıca yeni mekik modellerinde aerojelin ısı kalkanı olarak kullanılacağını da duyurdu. Aerojeller mikroelektronik alanında da umut vericidir. Esas olarak en düşük dielektrik sabitlerine sahip olmaları nedeniyle. Aerojellerin çok katmanlı yalıtım katmanları olarak kullanılması baskılı devre kartı elektroniğin performansını önemli ölçüde artıracak. 2007 yılında Amerikalı kimyagerler, suyu arıtmak için filtre görevi görebilecek, oluşturdukları aerojelleri sundular. zararlı kirlilikler cıva, kurşun ve diğer toksik ağır metaller gibi. Şu ana kadar bu malzemelerin üretimi oldukça sınırlıdır. yüksek fiyat, Çünkü Filtreler platin içeriyor ancak bunun yerine daha ucuz bir analog bulunduğunda, yeni tip arıtıcılar gezegenin su kütlelerini ağır metallerden arındırabilecek. Ayrıca yeni aerojeller yarı iletken özellikler sergiliyor ve bu nedenle fotovoltaik hücrelerde ve diğer optoelektronik cihazlarda kullanılabilir.

Kuvars aerojel, daha önce de belirtildiği gibi, benzersiz bir ısı yalıtkanıdır. 500 santigrat dereceye kadar sıcaklıklara dayanabiliyor ve 2,5 cm kalınlığındaki katman, insan elini dış etkenlerden korumaya yetiyor. doğrudan etki kaynak makinesi. Erime noktası 1200 C'ye kadar olan aerojel çeşitleri mevcuttur. Arojellerin özellikleri büyük ölçüde şunlara bağlıdır: kaynak materyal, bunların yapıldığı yer. Alümina (alüminyum oksit ilavesiyle), silikon dioksitin yanı sıra kalay ve krom oksitten yapılmış aerojeller vardır. Son zamanlarda karbon bazlı aerojeller üretildi. Katalizör olarak kullanılan aerojeller vardır. NASA şu anda nadir elementler (gadolinyum ve terbiyum) içeren alüminyum oksit aerojellerini test ediyor. Bu aerojeller, yüksek hızlı çarpışma dedektörleri olarak kullanılıyor.Aerojellerin bazı şeffaf çeşitleri, bilim insanları tarafından bunun yerine geçecek şekilde değerlendiriliyor. pencere camı. Sonuçta aerojellerin kırılma indeksi camınkinden çok daha düşüktür (1,05'e karşı 1,5). Bilim, bu gelecek vaat eden malzemenin başlangıçtaki kırılganlığının üstesinden gelmeyi çoktan başardı; elastik ve esnek aerojeller artık mevcut. Üretim maliyetlerinin büyük ölçekte kullanımı kârlı hale getirecek sınırlara indirilmesi konusu gündemde. Aerojellere genellikle 21. yüzyılın malzemesi denir. Bunun böyle olup olmadığını yakında göreceğiz.

Yüzde 90'ı hava olan malzemeler var mı? Peki aynı zamanda sağlam, ısı ve ses yalıtımlı, elektriği ileten ve genel olarak birden fazla endüstride aynı anda uygulama bulabilen bir ürün mü? “Beş Element” serimizin bir sonraki makalesini okuyun. N+1 NUST MISIS ile ortaklaşa, havayla dolu nanomateryaller olan aerojeller hakkında çalışıyor.

Aerojellerin özellikleri

Aşağıdaki fotoğraf, silikon dioksitten yapılmış en yaygın aerojellerden birini göstermektedir. Güzel opal-mavimsi tonu nedeniyle “mavi duman” olarak da adlandırılır. Dışarıdan bakıldığında bu aerojel bir buz parçası gibi görünse de aslında şaşırtıcı derecede hafif ve serttir. Ve tamamen kuru. Köpük gibi geliyor ama jöle ya da buz gibi değil. Böyle bir "dumanın" bir parçasını sert bir yüzeye düşürürseniz, bir plaj topu gibi sıçrayacak ve ses, camdan bir Noel ağacı süsünün çınlamasına benzer olacaktır.

En çok başka aerojeller de var farklı renkler, ama bir o kadar da ağırlıksız. Bu malzemenin hangi özellikleri var? İşte en tipik olanları:

Aerojellerin çoğu, sertliklerine rağmen elle kolayca kırılır. Yani kırılgandırlar ama serttirler; bazıları kendi ağırlıklarının 4000 katı kadar ağırlığa kırılmadan dayanabilirler.

Tuğla geçici bir silika blokla destekleniyor

Bununla birlikte, bükülebilen ve hatta çekiçle vurulabilen plastik aerojeller zaten yaratılmıştır. Gelecekteki Mars seferinin bir parçası olarak oluşturulan uzay giysilerini yalıtmak için kullanılması planlanan tam da bu malzemelerdir. Ve sadece uzay kıyafetleri değil, giyim ve seyahat ekipmanı üreticileri de bu tür malzemelerle aktif olarak deneyler yapıyor.

Aerojellerin başka bir benzersiz parametresi daha vardır: alan oranı tam yüzey ağırlık: 3200'e kadar metrekare gram başına. Bu, tüm yüzey alanını tek bir düzlem olarak hayal ederseniz, bu malzemenin bir gramının yarım futbol sahasına yeteceği anlamına gelir! Bu nasıl olabilir? Her şey bu muhteşem malzemenin yapısıyla ilgili. Aerojelin neredeyse katı bir "halka deliği" olduğu ortaya çıktı: yalnızca birkaç nanometre kalınlığındaki (milimetrenin milyonda biri) ultra ince katı duvarlar, gözeneklerden ve katmanlardan oluşan karmaşık bir üç boyutlu labirent oluşturuyor. Gözeneklerin boyutları onlarca ila yüzlerce nanometre arasında değişir ve normal karasal koşullar altında hava ile doldurulur; malzemenin hacminin yüzde 90-99'unu doldurur. Ve bazen bu süper süngerler başka bir şeyle mükemmel şekilde doldurulabilir. Örneğin tanker kazası sonucu deniz yüzeyine petrol döküldü. Ek olarak, bu kadar düşük ağırlığa sahip bu kadar büyük bir alan, yüzlerce ve binlerce farad kapasiteli süper kapasitörler olan iyonistörler oluşturmak için mükemmeldir (geleneksel bir kapasitörün kapasitesi genellikle mikrofaradlarla ölçülür). Belki yakın gelecekte klasik pillerin yerini alacaklar. Katalizörleri de unutmayalım, çünkü içlerinde yüzey alanı da belirleyici bir rol oynar - katalizörün kimyasal reaksiyon üzerindeki etkisinin etkinliği buna bağlıdır.

Jel nedir

Dolayısıyla aerojellerin benzersiz özellikleri öncelikle küçük açık gözeneklere sahip uzaysal yapılarına dayanmaktadır. Elbette duvarların malzemesi de önemlidir. Örneğin, büyük ölçüde bağlıdır Mekanik özellikler belirli bir aerojelin elektriksel iletkenliğinin yanı sıra.

Peki pratikte katı duvarlara sahip bu kadar karmaşık, içi boş "kabarcıklar" nasıl elde edilebilir? Cevap malzemenin adında yatıyor. Jeller, aerojel oluşturmanın başlangıç ​​malzemesidir. Aynı jöleli et gibi nemli ve ağır jeller. Bu arada, iyi bilinen jelatin de bu nanomateryali oluşturmak için uygundur. Bu arada jel nedir? Dokunuş açısından hepimizin bu madde hakkında iyi bir fikri var ama mikro düzeyde neyi temsil ediyor? Herhangi bir jelin, farklı fiziksel özelliklere sahip iki bileşenden oluştuğu ortaya çıktı: tüm numuneye nüfuz eden sürekli gözenekli uzaysal yapı formunda bir katı faz ve gözenekleri dolduran bir sıvı faz. Üstelik katı fazın karakteristik boyutu sadece onlarca nanometredir, çünkü jellerdeki katı faz genellikle nanopartiküllerden veya uzun makromoleküllerden oluşan kümelerdir.

Tipik bir jel, sıvıya batırılmış köpüklü bulaşık süngeri olarak düşünülebilir. Sadece böyle bir süngerin gözenekleri mutfağımızdakinden yüzbinlerce kat daha küçüktür. Böyle bir süngerdeki tüm sıvıyı çıkarırsanız ne olur? Sonuç, havayla dolu gözeneklere sahip kuru bir süngerdir. Demek bu aerojel! Bu malzemeyi elde etmek için herhangi bir jeli kurutmanın yeterli olduğu ortaya çıktı. Ne yazık ki hayır. Uygulama, sıvı faz buharlaştığında jelin hacminin hızla azalmaya başladığını ve sonunda ultra düşük yoğunluklu istenen gözenekli nanomalzeme yerine küçük, yoğun bir kuru madde yığını elde ettiğimizi göstermektedir. Peki neden köpük sünger hacmi azalmadan kuruyor, oysa jel benzeri tamamen farklı davranıyor? Peki bununla nasıl başa çıkılır?

Aslında süngerli modelimizle gerçek jel arasındaki temel fark gözeneklerin boyutudur: sünger için bunlar milimetre cinsinden ölçülür, jeller için ise onlarca nanometredir, yani fark yaklaşık beş büyüklük sırası. Şimdi sıvının gözeneklerden nasıl buharlaştığını hayal edelim: bir noktada sıvı onları tamamen doldurmayı bırakır ve sıvı ile bu sıvının havayla karışmış buharı arasında bir sınır belirir. Bilindiği gibi yüzey gerilim kuvvetleri her zaman bir sıvının sınırında etki eder ve bu da sıvının yüzeyi ile kabın duvarları (bizim durumumuzda gözeneklerin duvarları) arasında etkileşime yol açar. Duvarlar iyice ıslanırsa, sıvının yüzeyi içbükey bir şekil alır ve duvarlara bir kuvvet etki ederek onları kabın içine çeker. Sıvı sınırı boyunca gözenek duvarının birim uzunluğu başına bu kuvvetin büyüklüğü gözenek yarıçapına bağlı değildir. Ancak aynı zamanda jeldeki bu gözeneklerin duvarları süngerimize göre binlerce kat daha incedir. Jel ve süngerdeki duvarlara uygulanan spesifik kuvvetin aynı olduğu ancak bu duvarların kalınlığının ve buna bağlı olarak mekanik mukavemetlerinin tamamen farklı olduğu ortaya çıktı. Süngerin gözeneklerinin kendilerini dolduran sıvının kurumasına dayanabilmesi şaşırtıcı değildir, ancak jelin gözenekleri bunu yapamaz. Bu nedenle kuruduğunda jelin "büzülmesi" - gözeneklerdeki sıvının yüzeyi, buharlaştıkça kırılgan duvarları birbiri ardına kırar ve sonuç olarak, delikli bir yapı değil, kuru, yapışkan bir kırık duvar yığını elde ederiz. Aerojellerin karakteristik özelliği.

Jel nasıl kurutulur

Jelin kırılgan gözeneklerinden, yapısını bozmadan sıvıyı nasıl temizleyebilirsiniz? Çözüm 1931'de Amerikalı bilim adamı Samuel Stephens Kistler tarafından bulundu. Bazı haberlere göre, meslektaşıyla bu hassas operasyonu ilk gerçekleştirecek kişinin kendisi olabileceğine dair iddiaya girmiş ve bahsi kazanmış. Kistler'in fikri sıvının yüzeyinden ve ona bağlı gerilim kuvvetlerinden kurtulmaktı, çünkü tüm sorunların nedeni yüzeydir. Yarısı sıvıyla dolu, kapalı bir cam şişemiz olduğunu hayal edelim. Şeffaf duvarlar sayesinde üzerindeki sıvı ve gazın sınırını göreceğiz. Şimdi şişeyi ısıtmaya başlayalım. İçerideki sıvı buharlaşacak ve bu da yüzeyindeki buhar miktarını ve basıncını artıracaktır. Ve elbette bu buharın sıcaklığı da. Yeterince uzun süre ısıtmaya devam ederseniz, belirli bir anda şişenin içindeki basınç ve sıcaklık öyle bir seviyeye ulaşacak ki, buharın yoğunluğu sıvının yoğunluğuna eşit olacak ve aralarındaki sınır ortadan kalkacak. . Ve buhar ve sıvının kendisi de bize tanıdık gelen özellikleri kaybedecek (örneğin, sıvı sıkıştırılabilir hale gelecektir) ve ayrılmaz bir bütün haline gelecektir. Faz arayüzü ile birlikte yüzey gerilim kuvvetleri de ortadan kalkacaktır. Buharın sıvıdan ve sıvının buhardan farklılığının sona erdiği sıcaklık ve basınca termodinamik denir. kritik ve olarak tasvir edilir kritik nokta faz diyagramında:

Su için kritik sıcaklık ve basınç sırasıyla 374 santigrat derece ve 218 atmosferdir. Yani, su bazlı bir jel ile odadaki basıncı 218 atmosfere veya daha yükseğe çıkarırsak ve ardından sıcaklığı 374 santigrat derecenin üzerine çıkarırsak, o zaman buhar ve su arasındaki herhangi bir fark ortadan kalkacaktır - sözde elde edeceğiz süperkritik sıvı. Jelin her gözeneğinin içinde çok yoğun buhar veya su bulunacaktır ve bu koşullar altında esasen aynı şey olur. Şimdi sıcaklığı kritikin üzerinde tutarken basıncı kritik ve altına düşürmeye başlarsak, bu yoğun buhar, herhangi bir yoğunlaşma olmadan yavaş yavaş jelden ayrılmaya başlayacaktır. Daha sonra kalan buhar jelden çıkıp ihtiyacımız olan havayla dolu kuru aerojele dönüşene kadar sıcaklığı düşürmeye başlayabilirsiniz. Açıklanan sürecin adı süperkritik kurutma ve kırmızı bir okla gösterilir.

Bu senaryoya göre sıvının buhara dönüşümü sırasında sıvı ve gazlı ortamlar arasında bir arayüz olmadığından gözeneklerin içinde yüzey gerilimi kuvvetleri yoktur ve bunlar kurutma işlemi sırasında bozulmadan kalır. Yeşil ok, sıvının buhara dönüştüğü kurutma senaryosunu gösterir her zamanki gibi. Bu durumda iki varlığın aynı anda varlığı söz konusudur. faz durumları, arayüz ve buna bağlı olarak jel yapısının tahrip edilmesi. Mavi ok, dondurarak kurutma adı verilen üçüncü bir yolun da mümkün olduğunu gösteriyor. Bu senaryoda gözeneklerin içindeki sıvı ilk olarak katı hal dondurularak ve daha sonra azaltılmış basınç altında, sıvı fazı (ve bununla ilişkili yüzey gerilimi sorunlarını) atlayarak katı fazı gaz fazına dönüştürerek. Uygulamada bu seçenek aslında bazı aerojel türlerinin elde edilmesini mümkün kılmaktadır.

İÇİNDE gerçek hayat Aerojel üretimi için su bazlı jellerin doğrudan kullanımı, suyun yüksek kritik sıcaklığı ve basıncı nedeniyle çok sakıncalıdır. Bu nedenle kuruma başlamadan önce jelin orijinal sıvı bileşeni genellikle kritik nokta açısından daha uygun bir bileşenle değiştirilir. Böyle bir ikame edici örneğin metil alkol olabilir (kritik sıcaklık - 250 santigrat derece, kritik basınç - 77 atmosfer). Kistler'in duvarları karbondioksit olmayan maddelerden yapılmış aerojeller elde etmek için kullandığı alkollerdi. organik bileşikler. Organikler için süperkritik kurutma sırasında jelin sıvı bileşeni olarak sıvılaştırılmış propanı önerdi. Aseton ve sıvılaştırılmış karbondioksit de kullanılır. Genel olarak günümüzde aerojel hazırlamak için oldukça fazla "tarif" vardır. İnternette evde yapmak için öneriler bile bulabilirsiniz.

Rusya'da, NUST MISIS'teki Kompozit Malzemeler Merkezi de dahil olmak üzere birçok bilimsel merkez aerojel üzerine araştırma yapıyor. Merkezin Araştırmacısı, Fizik ve Matematik Bilimleri Adayı Fedor Senatov, maddenin süperkritik halini kullanmanın teknolojik olanaklarına ilişkin şu yorumu yaptı: “İlginç ve kullanışlı özellik süperkritik durumdaki (sıvı) maddeler, onun yardımıyla sadece jelde gözeneklilik oluşturmanın değil, aynı zamanda malzemenin kendisini değiştirmenin ve ayrıca gereksiz yabancı maddeleri ondan çıkarmanın mümkün olmasıdır. Örneğin bir tıbbi maddeyi süperkritik bir sıvı içinde çözebilir ve bir polimer jeli bu sıvıyla tedavi edebilirsiniz. Sıvı jele nüfuz ettiğinde, basıncın düşmesinden ve sıvının ayrılmasından sonra polimer içinde kalacak olan ilacı da beraberinde getirecektir. Böylece, eşzamanlı tıbbi etkilerle biyolojik sıvıların ultrafiltrasyonunda tıpta kullanılabilecek bir aerojel elde edilecektir.

Aynı yöntemi kullanarak gereksiz kirleri malzemeden çıkarabilirsiniz. Literatürde süperkritik akışkan ekstraksiyonu (SFE) olarak adlandırılan bu yöntem, hem endüstriyel hem de endüstriyel alanda oldukça uzun süredir kullanılmaktadır. laboratuvar araştırması, ve endüstriyel üretim. Süperkritik sıvı ekstraksiyonunun en yaygın örneği, kahvenin kafeinsizleştirilmesi için scCO2'nin kullanılmasıdır. Dünyada her yıl scCO 2 kullanılarak yüz bin tondan fazla kafeinsiz kahve üretiliyor.”

Metal oksitler. İlgili aerojeller, katalizörlerin üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Genellikle nikel ilavesiyle birlikte alüminyum oksit içerirler. NASA, ultra yüksek enerjili kozmik parçacıkları tespit etmek için gadolinyum ve terbiyum ilavesiyle alüminyum aerojel kullanıyor. Gerçek şu ki, bu aerojeller, bu tür parçacıklar içlerine girdiğinde floresan ışık yayar ve bu da bunların kaydedilmesine olanak tanır. Ayrıca radyasyon gücü parçacığın enerjisine bağlıdır. Metal oksit aerojellerin rengi büyük ölçüde değişir.

Organik polimerler. Örneğin, meyve jölesine eklenen agar-agardan yapılan aerojel. Esnek aerojeller üretmek için başka bir organik malzeme olan selüloz kullanılır.

Kalkojenler. Bu grup şunları içerir: kükürt, selenyum, tellür vb.

Kadmiyum selenit . Bu malzemeden yapılan aerojel yarı iletken özelliklere sahiptir.

Ayrıca aerojellerin özellikleri, katı fazın bileşimine çeşitli değiştirici katkı maddelerinin eklenmesiyle daha da değiştirilebilir.

Şu anda aerojellerin uygulama alanı bulduğu ana endüstri segmentleri bulunmaktadır:

Sergey Petrov

Enerji maliyetleri arttığında onu daha verimli kullanma ihtiyacı da artıyor. Kullandığımız enerjinin %40'ının evlerimizi sıcak tutmak için harcandığı tahmin edilmektedir. Bu enerjinin %30'undan fazlası duvarlardan geçiyor (inşaatlarda) bu süreç termal köprü denir).

NASA tarafından geliştirilen teknolojiye dayanarak, en yüksek düzeyde yalıtım sağlayan mevcut malzemeler Thermablok markası inşaat sektöründe talep görebilecek muhteşem bir ürün ortaya çıkardı. “Donmuş duman” olarak da adlandırılan aerojelin, kırılgan yapısından dolayı yaygın kullanıma adapte edilmesi zor olmuştur. Ancak Thermablok'un patentli malzemesi, şaşırtıcı yalıtım özelliklerini korurken esnemesine ve sıkışmasına olanak tanıyan benzersiz lifler içerir.

ABD Enerji Bakanlığı'nın Oak Ridge Laboratuvarı'ndan bilim insanlarına göre, bir duvarı alçı levhayla kaplamadan önce her profil boyunca döşenen tek bir aerojel şeridi (6,25 mm x 38 mm), duvarların yalıtım kapasitesini %40'tan fazla artırıyor.

Thermablok malzemesi Acoustiblok® araştırma şirketi tarafından geliştirildi. Araştırmayı yöneten Mark Nothstein şunları söyledi: “Katılar elbette ısıyı hava veya vakumdan daha iyi iletir. Böylece duvarda ahşap veya metal profiller duvarın iki tarafını mekanik olarak birbirine bağlayan, ısı transferine katılan profillerdir. Termal analiz profillerin iletim noktaları olduğunu göstermektedir. Thermablok(TM) aerojel %95 hava olduğundan ve profil ile alçıpan arasında yer aldığından mekanik teması (termal köprü) engeller.

NASA, birkaç yıldır aerojel yalıtım teknolojisini geliştiriyor ve bunu uzay mekiklerinde, uzay giysilerinde ve Mars'a yapılan son görev de dahil olmak üzere diğer gelişmiş uygulamalarda kullanıyor. Bu teknoloji bu alanda potansiyel bir atılımdır akılcı kullanım enerji ve enerji verimli binaların inşası.

Acoustiblok Başkanı ve Kurucusu Lachni Johnson, şirketin halihazırda kurulmuş olan çevre dostu Acoustiblok ürününün bir uzantısı olan yeni bir ürün yaratmak için ilham aldı. Johnson, şirketlerinin yalnızca çevre dostu değil aynı zamanda enerji açısından verimli ürünler üretmesinden gurur duyuyor. "Malzemeyi kullanma olanakları sonsuzdur" diyor, "geleneksel inşaatta olduğu kadar korumada da mahremiyet Akustik özelliklerinden dolayı."

Thermablok malzemesinin avantajları:

• enerji maliyetlerini azaltır,
• tamamen konu yeniden kullanma,
• Ozon tabakasını tahrip eden maddeler içermez,
• %30'dan fazlası geri dönüştürülmüş malzemelerden yapılmış,
• kompozit malzeme% 95'ten fazlası havadan oluşur,
• su tutmaz, nemden, küften ve sudan etkilenmez,
• yapışması kolay,
• Yangın durumunda su ile kolaylıkla söndürülür,
• ekonomik,
• neredeyse hiçbir ağırlığa sahip değildir ve büyük nakliye maliyetleri gerektirmez,
• ses yalıtımını destekler,
• atmosferik nemle reaksiyona girmediği için dayanıklıdır,
• Abd'de üretilmiştir.

Aerojeller (lat. hava- hava ve dondurma- dondurulmuş) - sıvı fazın tamamen gaz fazıyla değiştirildiği, bunun sonucunda maddenin rekor düşük yoğunluğa sahip olduğu, hava yoğunluğunun yalnızca bir buçuk katı olan jel olan bir malzeme sınıfı ve bir dizi başka benzersiz nitelik: sertlik, şeffaflık, ısı direnci, son derece düşük ısı iletkenliği ve su emme eksikliği.

Aerojelin genel görünümü

Aerojel aynı zamanda %99,8'inin havadan oluşmasıyla da benzersizdir!

Amorf silikon dioksit, alümina, krom ve kalay oksit bazlı aerojeller yaygındır. 1990'ların başında karbon bazlı aerojelin ilk örnekleri elde edildi.

Aerojel, insan elinin çok sıra dışı bir yaratımıdır ve benzersiz nitelikleri nedeniyle Guinness Rekorlar Kitabı'nda 15 pozisyona layık görülen bir malzemedir.

Aerojeller, boşlukların hacmin en az %50'sini kapladığı mezogözenekli malzeme sınıfına aittir. Aerojellerin yapısı, 2-5 nm boyutunda kümelenmiş nanopartiküllerden ve 100 nm boyutuna kadar gözeneklerden oluşan ağaç benzeri bir ağdır.

Dokunulduğunda Aerojeller polistiren köpük gibi hafif ama sert bir köpüğe benziyor. Ağır yük altında aerojel çatlar, ancak genel olarak çok dayanıklı bir malzemedir - bir aerojel numunesi kendi ağırlığının 2000 katı yüke dayanabilir. Aerojeller, özellikle kuvars olanlar iyi ısı yalıtıcılarıdır.

Kuvars Aerojeller en yaygın olanıdır ve aynı zamanda en düşük yoğunluk rekorunu da elinde tutmaktadır. katılar- 1,9 kg/m³, suyun yoğunluğundan 500 kat daha az, havanın yoğunluğundan ise yalnızca 1,5 kat daha fazladır.

Kuvars Aerojelleri aynı zamanda son derece düşük ısı iletkenliklerinden (normalde havada ~0,017 W/(m.K)) dolayı da popülerdir. atmosferik basınç), havanın ısıl iletkenliğinden (0,024 W/(m.K)) daha azdır.

Aerojel Uygulaması

Aerojeller inşaat ve endüstride çelik boru hatlarının ısı yalıtımı için ısı yalıtımlı ve ısı tutucu malzemeler olarak, yüksek ve çeşitli ekipmanlarda kullanılmaktadır. düşük sıcaklık prosesleri, binalar ve diğer nesneler. 650°C'ye kadar sıcaklıklara dayanabiliyor ve 2,5 cm kalınlığındaki katman, insan elini kaynak makinesine doğrudan maruz kalmaktan korumak için yeterli.

Kuvars Aerojel'in erime noktası 1200°C'dir.

Aerojel üretimi

Aerojel üretme süreci karmaşık ve emek yoğundur. İlk olarak jel kimyasal reaksiyonlar kullanılarak polimerize olur. Bu işlem birkaç gün sürer ve çıktı jöle benzeri bir üründür. Daha sonra alkolle birlikte jölenin suyu uzaklaştırılır. Tamamen kaldırılması, tüm sürecin başarısının anahtarıdır. Bir sonraki adım “süperkritik” kurutmadır. Sıvılaştırılmış karbondioksit kullanılarak yüksek basınç ve sıcaklıkta otoklavda üretilir.

Aerojelin icadındaki öncelik, sonuçlarını 1931'de Nature dergisinde yayınlayan Stockton, Kaliforniya, ABD'deki College of the Pacific'ten kimyager Steven Kistler tarafından kabul edilmiştir.

Kistler, jeldeki sıvıyı metanolle değiştirdi ve ardından metanolün kritik sıcaklığına (240°C) ulaşılana kadar jeli basınç altında ısıttı. Metanol hacmi azalmadan jelden ayrıldı; Buna göre jel neredeyse hiç büzülmeden "kurudu".

Aerojel, sıvı fazın tamamen gaz fazıyla değiştirildiği, bunun sonucunda maddenin rekor derecede düşük bir yoğunluğa sahip olduğu, havanın yoğunluğundan yalnızca bir buçuk kat daha yüksek olduğu bir jel olan bir malzeme sınıfıdır ve bir dizi başka benzersiz nitelik: sertlik, şeffaflık, ısı direnci, son derece düşük ısı iletkenliği ve su emiliminin olmaması.

Aerojel, bu nasıl bir malzeme?

(Latince aer - hava ve gelatus - dondurulmuş) - sıvı fazın tamamen gaz halindeki bir faz ile değiştirildiği, bunun sonucunda maddenin rekor düşük yoğunluğa sahip olduğu, yalnızca bir ve bir jel olan bir malzeme sınıfı havanın yoğunluğunun yarısı kadardır ve bir dizi başka benzersiz nitelik vardır: sertlik, şeffaflık, ısı dayanıklılığı, son derece düşük ısı iletkenliği ve su emme eksikliği.

Sıklıkla aerojel nedeniyle "donmuş duman" olarak adlandırıldı. dış görünüş. Görünüşe göre bir şekilde donmuş dumanı andırıyor. Dokunuşta aerojel polistiren köpük gibi hafif ama sert bir köpüğe benzer.

Ağaç benzeri bir şeyi temsil eder açık kümelenmiş nanopartiküller 2-5 nm boyutunda, sıkı bir şekilde birbirine bağlıdır. Bu çerçeve hacmin %0,13 ila 15'i kadar küçük bir kısmını kaplar, geri kalanı gözeneklerdir.

Aerojeller gözenekli malzemeler sınıfına aittir.

Aerojeller yaygındır farklı nitelikte: her ikisi de inorganik - amorf silikon dioksit (SiO 2), alümina (Al 2 O 3), grafen (aerografen olarak adlandırılır), grafit (aerografit olarak adlandırılır) ve ayrıca krom ve kalay oksitlere dayalıdır ve organik - polisakaritlere, silikona dayalıdır , karbon. Baza bağlı olarak aerojeller farklı özellikler sergiler. Ancak, Genel Özellikler, bu malzemenin tüm sınıfının özelliği.

Isı yalıtkanı olarak mat ve rulo halinde üretilmektedir.

Aerojelin özellikleri ve avantajları:

– yüksek gözeneklilik. %99,8'i havadan oluşur,

– En düşük katı madde yoğunluğu rekoru vardır - 1,9 kg/m³, bu suyun yoğunluğundan 500 kat daha azdır ve havanın yoğunluğundan (kuvars aerojelleri) yalnızca 1,5 kat daha fazladır,

– benzersiz bir ısı yalıtkanı. Düşük ısı iletkenliğine sahiptir - λ = 0,013 ~ 0,019 W/(m·K) (normal atmosfer basıncındaki havada), havanın ısıl iletkenliğinden (0,024 W/(m·K) (kuvars aerojeller) daha azdır). Yalıtım olarak 2'dir. -Geleneksel yalıtıma göre 5 kat daha etkili,

– erime noktası 1200°C'dir (kuvars aerojel),

– aerojel dayanıklı malzeme. Kendi ağırlığının 2000 katı yüke dayanabilir,

– Young modülü düşük,

– Sıkışmaz, deformasyona karşı dayanıklıdır, çekme mukavemeti yüksektir,

– sesin yayılma hızı en fazla Düşük değerİçin ağır metal oluştururken önemli bir avantajdır. ses yalıtım malzemeleri.İçindeki sesin hızı gazlardaki ses hızından daha düşüktür,

– bazı aerojel türleri mükemmel emicilerdir. Popüler modern soğurma malzemelerinden 7-10 kat daha etkilidirler.

– stabil gözenekli bir maddedir. Aerojelin içindeki gözeneklerin hacmi, malzemenin kapladığı hacimden onlarca kat daha fazladır. Bu mülk Belirli bir bileşimdeki aerojelin, organik bileşikler üretmek için kimyasal işlemlerde katalizör olarak kullanılmasına izin verir. Öte yandan, geniş iç kapasitesi roket yakıtı, oksitleyici vb. gibi belirli maddeleri güvenli bir şekilde depolamak için kullanılabilir.

– mükemmel hidrofobiklik. Nemi emmez

– Yüksek ısı direncine ve ısı direncine sahiptir. Geniş çalışma alanına sahiptir sıcaklık aralığı kullanım – -200 °C ile +1000 (1200) °C arası. Isı yalıtımını korur ve mekanik karakteristiği en az 1000°C'ye ısıtıldığında,

- dır-dir yanıcı olmayan malzeme. Yangından korunmak için de kullanılabilir çeşitli tasarımlar,

– şeffaf (kuvars aerojel). 1.1'den 1.02'ye kadar ışık kırılma indeksine sahiptir. Şundan yapılabilir: Farklı türde bardak,

– yeterince var yüksek sertlik,

– dayanıklılık,

– Çevre dostu, insanlar ve çevre için güvenli,

– geniş bir spesifik alana sahiptir iç yüzey. Yaklaşık 300-1000 m 2 /g civarındadır.

– kimyasal bileşim aerojel ayarlanabilir, bileşimine çeşitli katkı maddeleri kolayca eklenebilir, bu da kullanım için yeni olanaklar açar,

– asitlere, alkalilere, çözeltilere karşı dayanıklı,

– aynı zamanda kırılgan bir malzemedir.

Aerojel uygulaması:

-V bilimsel araştırma nükleer fizik alanında,

– Ses yalıtımı için,

– binaların, yapıların, depoların, buzdolaplarının, petrol boru hatlarının, boruların, diğer nesnelerin ve ekipmanların ısı yalıtımı için,

– yangından korunma için,

Aerojel Yenilikleri:

Bilim insanları bir konsept önerdi Gezegenlerin bireysel bölgelerini yaşanabilir hale getirmek : Yapay kubbeler oluşturarak Mars, Ay, Venüs vb. ekranlar katmandan