Aerogel je gelem , jako materiál , kde se kapalná složka nahrazena plynem . Je to pevná látka velmi nízké hustoty s několika pozoruhodnými vlastnostmi, včetně schopnosti tepelně izolovat .
To bylo vytvořeno Stevenem Kistlerem v roce 1931 , během sázky s Charlesem Learnedem na formu: „Kdo by mohl nahradit kapalinu uvnitř sklenice s gelem, plynem, aniž by se zasunul?“ „ Kistler práce vedla jej skládat aerogely z oxidu křemičitého , oxidu hlinitého , chrom ( III ) oxid nebo cínového oxidu . Aerogely složené z uhlíku byly vynalezeny na počátku 90. let .
V roce 2012 byly syntetizovány aerogely na bázi polymerů . Mají tu výhodu, že mají mechanické vlastnosti vhodnější pro jejich použití v průmyslu.
Aerogelu se skládá z až do 99,8% vzduchu, s hmotností objemu pevné / aerogel poměru, který může klesnout až na 0,16 mg / cm 3 , což z něj dělá nejlehčí pevná látka známá až do nedávné doby, ( mikro-mříž , airbrush ). Je téměř úplně průhledný a na dotek připomíná polystyren . Lehké stisknutí nezanechává stopy, silnější stisknutí zanechá trvalou prohlubeň. Jeho silným stisknutím se jeho řídká struktura náhle zhroutí a roztříští se jako sklo .
I když je náchylný k rozptylu, je schopen podporovat více než 2 000násobek své hmotnosti. Tato schopnost je dána jeho dendritickou mikrostrukturou , kdy sférické částice s průměrnou velikostí 2–5 nm fúzují do skupin a vytvářejí vysoce porézní trojrozměrnou strukturu řetězců (ve tvaru fraktálů ) s póry měřícími méně než 100 nm . Během výroby lze upravit velikost pórů a průměrnou hustotu.
Aerogel je pozoruhodná izolace, protože téměř úplně zastavil tři metody šíření tepla ( vedení tepla , tepelné záření a proudění ). Je to dobrý konvekční inhibitor, protože vzduch nemůže cirkulovat přes síťovinu konstrukce. Silikový aerogel je dobrý vodivý izolátor Díky křemíku, který je špatným vodičem tepla. Na druhou stranu je kovový aerogel lepším vodičem tepla. Uhlíkový aerogel je dobrým izolátorem záření, protože uhlík absorbuje infračervené záření, které přenáší teplo. Nejizolačnějším aerogelem je křemičitý aerogel s přidaným uhlíkem (téměř třikrát více izolační než skelná vata). Je možné dále zlepšit izolační schopnosti aerogelů částečným vyprázdněním jejich vzduchu (méně než 0,01 atm ).
Aerogel je díky své hygroskopické povaze suchý na dotek a vysychá. Jelikož se skládá převážně ze vzduchu, vypadá poloprůhledně. Jeho barva je kvůli Rayleigh rozptylu nejmenšího vlnové délky z viditelného světla skrze velikosti nanometrů z dendritů struktury. Z tohoto důvodu se zdá být namodralý, když je před tmavým povrchem, a bělavý před světlým povrchem.
Byly provedeny experimenty k výrobě aerogelu v nulové gravitaci (pomocí parabolického letu ). Je pak zcela transparentní.
Aerogely jsou v zásadě hydrofilní , ale chemické ošetření jejich povrchů může způsobit, že se stanou hydrofobními .
Nejznámějším aerogelem je oxid křemičitý, ale vědci usilující o výrobu aerogelů na biologickém základě , možná silnější než oxid křemičitý.
Výroba aerogelu v zásadě spočívá v nahrazení kapalné složky silikagelu (pro silikagel) plynem. Technicky je proces složitější. Je to proto, že struktura gelu má tendenci se zhroutit, když je jednoduše vysušen. To se pak stává porézní a rozpadá se.
V praxi, hydrogelu , silikagel používají zejména pro měkké kontaktní čočky , se suší za podmínek vysokých teplot a tlaku, který nahrazuje vodu s kapalinou, jako je ethanol v přítomnosti "prekurzor‘, oxid křemičitý alkoxid . Alkoxid je druh katalyzátoru pro reakci. Skládá se z alkoholu a silikonu. Jeho vzorec je Si (OR) 4. Tato reakce produkuje oxid křemičitý:
Si (OCH 2 CH 3 ) 4 (liq.)+ 2H 2 O(liq.) → SiO 2 (pevný)+ 4 HOCH 2 CH 3 (liq.).Oxid křemičitý je stabilní minerální sloučenina se vzorcem SiO 2. Poté přišel proces zvaný superkritické sušení (v angličtině : superkritické sušení ). V termodynamice je kritickým bodem přechodová fáze mezi kapalinami a plyny. V zásadě jsou kapalný a parní stav mikroskopicky identické: jsou charakterizovány poruchou atomů nebo molekul. Existuje také tlak a teplota (nazývané kritické), pro které tato křivka soužití kapalina-pára najednou přestane. Kromě toho tělo není ani kapalné, ani plynné: je to kapalná fáze . Tímto způsobem se z gelu odstraní alkohol. Tato operace se provádí v autoklávu při tlacích pohybujících se od 50 do 60 barů, teplotách od 5 do 10 ° C a po dobu 12 hodin až 6 dnů. Cíle je poté dosaženo, kapalina byla nahrazena plynem, aniž by se struktura gelu zhroutila nebo zmenšila objem.
Existují procesy pro výrobu aerogelu při okolní teplotě a tlaku, ale prozatím jsou výrobci utajovány .
Aerogel může provádět několik funkcí. Komerčně jsou aerogely v granulované formě kombinovány se sklem, aby se snížily jejich tepelné ztráty. Po několika pobytech ve Vomitské kometě výzkumný tým zjistil, že při výrobě aerogelu při nulové gravitaci vznikají částice, které mají jednotnější velikost a které snižují Rayleighův rozptylový účinek v křemíkových aerogélech, aerogel je tedy transparentnější. Transparentní křemičité aerogely by velmi dobře mohly být vhodné ke snížení tepelných ztrát z oken v budovách .
Jeho velká povrchová plocha způsobuje, že se často používá, například v adsorbéru chemických absorbérů . Tato schopnost mu také dává velký potenciál jako katalyzátoru a transportéru katalyzátoru . Aerogelové částice se také používají jako zahušťovadlo v barvách a kosmetice .
Jeho výkon lze u konkrétních aplikací zvýšit přidáním „dopantů“, čímž se posílí jeho struktury a smíchají se jeho složení. Použitím tohoto přístupu lze výrazně zvýšit rozsah jeho aplikací.
Výroba aerogelových desek pro komerční účely začala v roce 2000 . Tato deska je kompozitním materiálem z aerosolového křemíku vyztuženého vlákny, který transformuje aerogel na odolný a pružný materiál. Mechanické a tepelné vlastnosti produktu se liší v závislosti na výběru vláken, aerogelové formy a zahrnutých neprůhledných přísad.
v ledna 2004, sonda Stardust používá aerogel k zachycení prachu z Comet Wild 2 . Tyto prachové částice se při nárazu odpařují pevnými látkami a procházejí plyny, ale jsou zachyceny aerogelem. NASA rovněž používá aerogel chránit skafandry nosí astronautů .
v října 2014„ Bouygues Construction a německý chemik BASF podepsali inovační partnerství za účelem společného vývoje aplikací v oblasti izolace budov pro výrobky na bázi polyurethanového aerogelu s názvem„ Slentite “. Velmi nízká tepelná vodivost materiálu, menší než 0,016 W m -1 K -1 , je možné nahradit tradiční izolátor, jako je minerální vlna , nebo polystyrenu, 25 až 50%, při současném zajištění regulace tepelně vlhkostní interiéru prostředí . Mezi další výhody materiálu představil7. října 2014, snadné řezání bez prachu a vysoká mechanická odolnost produktu. Velké aplikace zde zatím nejsou, ale společnost BASF doufá, že najde pilotní web pro rok 2015.
Výrobní náklady jsou v současnosti Příliš vysoké na to, aby byl aerogel uveden na trh v průmyslovém měřítku. V roce 2014 byla cena aerogelu 1 000 dolarů za unci , tedy téměř 30 EUR / g , stále ještě řádově 90 EUR za krychli o straně 10 cm , neboli 1 litr .