Ποιο είναι το ελαφρύτερο υλικό στον κόσμο;

Τα αερόπηκτα είναι μια ποικιλόμορφη κατηγορία στερεών, πορωδών υλικών που παρουσιάζουν ένα ασυνήθιστο σύνολο ακραίων ιδιοτήτων υλικού και εξαιρετικά μικρό βάρος.

Ονειρευτήκατε ποτέ να κοιμάστε σε αφράτα λευκά σύννεφα ή να βουτήξετε σε μια λίμνη συμπαγούς αέρα, μόνο για να κολυμπήσετε στην περίεργη καθαρή υφή της. Τα αεροτζελ μοιάζουν πολύ με το μαλλί φαντασίας σας . Ωστόσο, είναι πολύ διαφορετικά. Όντας το ελαφρύτερο υλικό που υπάρχει, μέχρι σήμερα, τα αερογέλη είναι μη πειστικά ανθεκτικά και απίστευτα ανοσία σε ένα ευρύ φάσμα σκληρών συνθηκών.

Ένα κομμάτι αερογέλης ισορροπημένο στα νύχια του χεριού, που απεικονίζει την ελαφριά φύση του (Φωτογραφία:NASA/Wikimedia Commons)

Το "Aerogel" δεν μπορεί να θεωρηθεί ως συγκεκριμένο υλικό ή ορυκτό, όπως το βαμβάκι ή το γραφένιο, και έχει συγκεκριμένο χημικό τύπο. Αντίθετα, αποτελούν μια διαφορετική τάξη στερεών πορωδών υλικών που παρουσιάζουν ένα ασυνήθιστο σύνολο ακραίων ιδιοτήτων υλικού, αποτελούμενο από μια ομάδα υλικών με μια συγκεκριμένη γεωμετρική δομή - έναν εξαιρετικά πορώδες στερεό αφρό με υψηλή σύνδεση μεταξύ διακλαδισμένων δομών σε όλο το υλικό. Αυτοί οι σύνδεσμοι, αν και εκτείνονται σε λίγα νανόμετρα, είναι απίστευτα ισχυροί και ανθεκτικοί. Προς μεγάλη σας έκπληξη, αυτά τα «μυστικά επιδεικτικά» υλικά υπάρχουν σε όλη την ιστορία για πολύ περισσότερο από όσο φαντάζεστε. Ο Αμερικανός καθηγητής χημείας Samuel Kistler, το 1931, δημοσίευσε τα πρώτα του ευρήματα σχετικά με αυτό το υλικό αφού το εφηύρε επιτυχώς, μια διαδικασία που περιελάμβανε πολλές δοκιμές και λάθη.

Πώς να φτιάξετε το Aerogel;

Φανταστείτε να ετοιμάζετε ένα μπολ με ένα γλυκό επιδόρπιο ζελατίνης. Η διαδικασία για την προετοιμασία του αερογέλης είναι στην πραγματικότητα αρκετά παρόμοια. Η σκόνη ζελατίνης αναμειγνύεται σε ζεστό νερό και στη συνέχεια ψύχεται στο ψυγείο. Αυτό που παίρνετε είναι ένα gel . Σε αυτό το σημείο, το airgel και το κανονικό σας βρώσιμο ζελέ δεν διαφέρουν. Αν τοποθετούσατε αυτό το τζελ σε φούρνο τώρα και αφαιρούσατε όλη την υγρασία του, το ζελέ σας αναμφίβολα θα γινόταν σκόνη. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, όταν η υγρασία διοχετεύεται ως ατμός, οι δομικοί δεσμοί μεταξύ του υλικού ζελέ έλκονται προς τα μέσα, αφήνοντας πίσω τίποτα άλλο εκτός από σκόνη.

Ωστόσο, εάν με κάποιο τρόπο καταφέρατε να βγάλετε όλο το υγρό περιεχόμενο του τζελ, χωρίς να βλάψετε τη στερεά δομή και το σχήμα , αυτό που θα σας έμενε είναι ένα χαμηλής πυκνότητας, εξαιρετικά πορώδες στερεό. Αυτός είναι ακριβώς ο τρόπος με τον οποίο κατασκευάζονται τα αερογέλη.

Λοιπόν, πώς βγάζετε το υγρό χωρίς να καταστρέψετε το στερεό; Ακολουθεί ένα βίντεο που δείχνει ένα αεροτζέλ DIY.

Η απάντηση:Υπερκρίσιμο στέγνωμα

Η υπερκρίσιμη ξήρανση είναι μια περίπλοκη τεχνική με την οποία μπορεί να τραβηχτεί υγρό με τριχοειδή δράση. Όλες οι καθαρές ουσίες (που δεν θα αποσυντεθούν) έχουν ένα κρίσιμο σημείο . Αυτή είναι μια συγκεκριμένη πίεση και θερμοκρασία στην οποία εξαφανίζεται η διάκριση μεταξύ υγρής κατάστασης και αέριας φάσης. Αυτή η φάση της ύλης ονομάζεται υπερκρίσιμο ρευστό.

Για να δημιουργήσετε το αερογέλη, πάρτε ένα σφραγισμένο δοχείο που περιέχει ένα υγρό (κυρίως πυρίτιο) κάτω από το κρίσιμο σημείο του. Αυτό το βάζο είναι εξοπλισμένο με μανόμετρο στο επάνω μέρος και εξοπλισμό για την αύξηση της θερμοκρασίας. Μια ορισμένη ποσότητα υγρού εξατμίζεται στο δοχείο μέχρι να εξισορροπηθεί η τάση ατμών του υγρού και η πίεση στο δοχείο. Τώρα, εάν θερμάνετε το δοχείο, η πίεση στο δοχείο αυξάνεται, λόγω της αύξησης της πίεσης ατμών με τη θερμοκρασία. Καθώς το κρίσιμο σημείο αυτού του υγρού πλησιάζει, η πίεση στη δεξαμενή πιέζει τα μόρια του ατμού αρκετά κοντά μεταξύ τους, έτσι ώστε ο ατμός να γίνεται σχεδόν τόσο πυκνός όσο ένα υγρό.

Ταυτόχρονα, η θερμοκρασία στο δοχείο γίνεται αρκετά υψηλή, ώστε η κινητική ενέργεια των μορίων στο υγρό να κατακλύζει τις ελκτικές δυνάμεις που τα συγκρατούν ως υγρό. Τελικά, φτάνει στο κρίσιμο σημείο, θολώνοντας τον μηνίσκο που χωρίζει τις δύο φάσεις, με αποτέλεσμα μια ενιαία υπερκρίσιμη φάση! Σε αυτή τη φάση, η επιφανειακή τάση στο ρευστό πέφτει αργά στο μηδέν, αναγκάζοντας την πίεση των τριχοειδών να πέσει επίσης.

Αεροπηκτοποίηση

Το υπερκρίσιμο υγρό που εμφανίζεται τώρα σε ολόκληρο το δοχείο έχει τους πόρους του γεμάτους με γέλη. Το υγρό σε αυτό το τζελ μπορεί τώρα να αφαιρεθεί, χωρίς επιφανειακή τάση να εμποδίζει τη διαδικασία. Αυτό γίνεται με μερική αποσυμπίεση το δοχείο (όχι κάτω από την κρίσιμη πίεση). Η θερμοκρασία του δοχείου πρέπει επίσης να παραμείνει πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος.

Ο στόχος είναι να απαλλαγούμε από αρκετό υγρό από το δοχείο ενώ το υγρό είναι ακόμα υπερκρίσιμο, γεγονός που διασφαλίζει ότι όταν το δοχείο αποσυμπιέζεται πλήρως κάτω από το κρίσιμο σημείο του ρευστού, απλά δεν θα μείνει καμία ουσία στο δοχείο για να επανασυμπυκνωθεί. Μόλις απομακρυνθεί αρκετό υγρό, το δοχείο αποσυμπιέζεται αργά και ψύχεται ξανά στις συνθήκες περιβάλλοντος. Καθώς συμβαίνει αυτό, η μικρή ποσότητα υγρού που έχει απομείνει στο αγγείο περνά πίσω από το κρίσιμο σημείο. επανέρχεται σε αέρια κατάσταση. Το υπόλοιπο υγρό στο πήκτωμα έχει πλέον μετατραπεί πλήρως σε αέριο, χωρίς να υπάρχει ποτέ τριχοειδική πίεση, και αυτό που μένει πίσω είναι το Aerogel.

Τύποι αερογέλης

Οι τρεις βασικοί τύποι αεροπηκτών είναι το πυρίτιο, ο άνθρακας και τα οξείδια μετάλλων. Αυτά τα στερεά έχουν βρει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών σε σύγχρονο εξοπλισμό, λόγω των μοναδικών δομικών και χημικών ιδιοτήτων τους.

Το πυρίτιο δεν πρέπει να συγχέεται με το πυρίτιο, την ουσία που χρησιμοποιείται σε μικροτσίπ και ημιαγωγούς. Πυρίτιο είναι ένα υαλώδες υλικό που χρησιμοποιείται για μόνωση. Τα αερογέλη πυριτίου είναι τα πιο συχνά συζητούμενα αεροπηκτώματα. αν ακούτε ανθρώπους να μιλούν για αερογέλη, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να μιλάνε για αερογέλη πυριτίου. Τα μόρια του πυριτίου, που είναι μεγαλύτερα από το μήκος κύματος του λευκού φωτός, διασκορπίζουν το μπλε φως, παρέχοντας έτσι μια ημιδιαφανή μπλε απόχρωση.

Χαμηλή θερμική αγωγιμότητα των αεροπηκτών, που αποδεικνύεται με θέρμανση αερογέλης πυριτίου κάτω από καυστήρα bunsen. (Φωτογραφία:Public Domain/Wikimedia Commons)

Σε αντίθεση με τα αερόπηκτα πυριτίου με μπλε του ουρανού, τα αερόπηκτα με βάση τον άνθρακα έχουν μια γκριζωπή μαύρη απόχρωση με μια υφή που μοιάζει με κάρβουνο. Η μη ελκυστική τους εμφάνιση καλύπτεται από τις ιδιότητες υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας τους. Εκατομμύρια κενά αέρα και πόροι αυξάνουν δραματικά την επιφάνεια απορρόφησης αυτών των αεροπηκτών, καθιστώντας τα ουσιαστικά υποψήφια για κυψέλες καυσίμου, συστήματα αφαλάτωσης και υπερπυκνωτές.

Οι αερογέλες οξειδίου μετάλλου, όπως υποδηλώνει το όνομα, κατασκευάζονται από μεταλλικά οξείδια. Στην πραγματικότητα, είναι τα ανόργανα ξαδέρφια της πιο κοινής αερογέλης πυριτίου. Κάθε τύπος αεροτζελ έχει τις δικές του μοναδικές ιδιότητες. Αυτά τα αερογέλια είναι εξαιρετικά χρήσιμα ως καταλύτες για πολλούς διαφορετικούς χημικούς μετασχηματισμούς, εκρηκτικές μήτρες και προηγούμενα για άλλα υλικά, όπως ο καταλύτης νανοσωλήνων άνθρακα. Αυτά τα αερογέλη είναι συχνά πολύχρωμα και μερικά είναι ακόμη και μαγνητικά.

Εφαρμογές του Aerogel

Λόγω της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας και του εξαιρετικά μικρού βάρους τους, είναι οι τέλειοι υποψήφιοι για μόνωση κτιρίων και συσκευών, μέσα αποθήκευσης, αυτοκίνητα και διαστημικά οχήματα, ηλιακές συσκευές και ηλιακές λίμνες.

Οι κουβέρτες Airgel χρησιμοποιούνται για την προστασία των κρίσιμων συστημάτων από το εξαιρετικά κρύο καύσιμο υδρογόνου που χρησιμοποιείται για την εκτόξευση των διαστημικών λεωφορείων της NASA. (Φωτογραφία:Nasa)

Χάρη στο υψηλό πορώδες και τη χαμηλή πυκνότητά τους, χρησιμοποιούνται στην κατάλυση, αισθητήρες μηχανών, αποθήκευση καυσίμων, εναλλάκτες ιόντων, φίλτρα στα καυσαέρια, φορείς χρωστικής ουσίας και πρότυπα. Όντας ήπια ημιδιαφανή στερεά με χαμηλό δείκτη διάθλασης, χρησιμοποιούνται επίσης ως οδηγοί φωτός και βρίσκουν εφαρμογή σε ελαφριά οπτικά.

Επειδή είναι ακουστικά αδιαφανή στους ήχους, χρησιμοποιούνται κατά την επένδυση των τοίχων ηχομονωτικών δωματίων και σε αισθητήρες απόστασης υπερήχων. Όντας ελαφριά και ελαφρώς ελαστικά, βρίσκουν καλή χρήση ως απορροφητές ενέργειας σε παγίδες σωματιδίων υπερταχύτητας. Έχοντας μεγάλο εμβαδόν επιφάνειας και χαμηλές διηλεκτρικές σταθερές, τα αερογέλη χρησιμοποιούνται συχνά σε διηλεκτρικά για IC και πυκνωτές λόγω της υψηλής διηλεκτρικής τους αντοχής.

Όπως μπορείτε να δείτε, αυτή η μοναδική κατηγορία υλικού μπορεί να κάνει πολλά περισσότερα από το να κρατήσει την υγρασία από ένα κουτί παπουτσιών!