ایروژل (aerogel)

شنبه, 15 مهر 1396 941 چاپ این صفحه

 

ایروژل (aerogel) چیست؟

 

ایروژل (aerogel) ماده اي فوق سبک  متخللی است که از ژل سیلیکا ساخته می شود به طوري که در ساختار آن قسمت مایع ژل از آن خارج شده و گاز جایگزین آن می شود. در نتیجه جامدي متخلل و بسیار سبک بدست می آید که با وزن بسیار کمی که دارد، اما به دلیل ساختار دندانه فرکتالی، مقاومت مکانیکی بسیار بالاي از خود نشان می دهد. کلویید ها با توجه به حالت طبیعی که در ان پخش شده اند به چند گروه تقسیم می شوند. ذره هاي مایع در ژل ها در محیط پیوسته ي یک فاز جامد  پراکنده شده اند که دانشمندان و شیمی دان ها براي تهیه ذراتی در حد نانو، از روش سول- ژل استفاده می کنند که در آن ذرات کلوییدي همگن پس از تشکیل و لخته شدن به ژل تبدیل می شوند. این ژل ها پس از خشک شدن به روش فرا- بحرانی، آئروژل هاي ویژه را تشکیل می دهند. براي تهیه آئروژل ها می توان از سیلسیم اکسید (سیلیکا) و آلومنیوم اکسید(آلومنیا) و کربن و ....استفاده کرد .چنانچه خشک شدن ژل به روش فرا- بحرانی انجام شود، ژل هاي بدست امده به ائروژل تبدیل می شوند.

 

آئروژل ها ترکیباتی هستند که از روش سول- ژل تهیه می شوند.این ترکیبات شکننده هستند و پایداري محیطی ضعیفی دارند و به همین دلیل کاربرد هاي آن ها در محیط هاي ویژه از جمله راکتور هاي هسته اي و عایق حرارتی در محیط خارج از اتمسفر(space) و ...می باشد. براي رفع این نقیصه آئروژل را با پلیمر کراسلینک (شبکه ای شدن) می کنند و X-Aerogel می نامند که در این صورت استحکام ائروژل کراسلینک شده 300  برابر افزایش می یابد. از جمله خواص آئروژل کراسلینک شده چگالی پایین (0.05 – 0.5 g/cm2) هدایت حرارتی پایین (0.04 W/mK) می باشد که این نوع آئروژل، عایق هاي الکتریکی، عایق هاي حرارتی ، کاتالیست با کارایی بالا و کاربرد هاي اپتیکی و ... می باشد.

 

کاربرد ایروژل (aerogel)

 

-1  فیبرهاي نوري انتقال

مواد با ضریب شکست کوچک، یکی از ویژگی هاي تمایز آئروژل هاست. یکی از ویژگی هاي قابل توجه براي فیبرهاي نوري نیز همین ضریب شکست کوچک است. فیبرها شامل هسته و روکش فلزي می باشد که ضریب شکست روکش n2 باید از ضریب شکست هسته  n1 کمتر باشد.  نور ورودي هسته در امتداد فیبرها به عنوان نتیجه اي از کل بازتاب کلی نور از روکش فلزي منعکس می شود. باید توجه داشت که آن دسته از اشعه ها که زاویه آنها از زاویه بازتاب کلی نور تجاوز نمی کند، مورد پذیرش می باشد.  بنابراین ازپایین ترین ضریب شکست روکش فلزي بیشترین مقدار نور منعکس می شود .  به همین دلیل پیشنهاد شده است از آئروژل به عنوان روکش فلزي استفاده شود با این حال اجراي عملی این آزمایش مشکل است.

 

-2  عایق حرارتی

آئروژل ها کمترین مقدار هدایت گرمایی را نسبت به دیگر عایق ها دارند(نمودار زیر گویاي این مطلب است). شکل بعدی نیز به خوبی کارایی آئروژل ها را به نمایش می گذارد. از مزایاي دیگر آئروژل ها آتش گیر نبودن و شفاف بودن آنهاست. این عایق ها در سیستم هاي گرمایش و سرمایش، باتري هایی با کاربرد دمایی بالا، عایق لوله ها، مخازن تحت گرما و سرما، لوله ي اگزوز ماشین، به عنوان پوشش جاذب انرژي خورشیدی در سلول هاي خورشدي جهت ذخیره سازي انرژي و ...می تواند به کار برده می شوند.

 

مقایسه کارایی عایق حرارتی آئروژل با برخی از آئروژل های تجاری

 

 

کارایی عایق حرارتی آئروژل ها

 

 

 

3- اپتیک

امکان استفاده از آئروژل ها در محدوده طول موج هاي 100-20  نانومتر به عنوان فیلتر هاي نوري وجود دارد. همچنین در ساختار لیزرها و منابع نور نیز کاربرد دارند. فیلم هاي آئروژل می توانند به عنوان پوشش اپتیک بروي سلول هاي خورشیدي نصب شوند زیرا ضریب شکست پایینی دارند. در ضمن این فیلم ها را به لایه خارجی فیبرهاي نوري نیز اعمال می کنند تا کارایی جذب نور و ضریب انتشار بهبود یابد.

 

4- کاتالیزور

اکسید هایی که براي عملکرد کاتالیزوري مناسب باشند می توانند به فرم آئروژل سنتز شوند .آئروژل ها به صورت پودر ،گرانول و ساختار مونولیت (که داراي بستري با سطح ویژه زیادبراي قرارگیري مواد کاتالیزوري می باشد و معمولا به شکل استوانه اي با سطح مقطع بیضی و دایره اي است) می توانند تهیه شود.  برخی از واکنش هایی که در آنها آئروژل ها نقش کاتالیزوري ایفا میکنند عبارتند از: تیتترو اکسیداسیون هیدروکربن ها به نیتریل ها، هیدروژناسیون نیترو بنزن ها به آنیلین، پلیمریزاسیون اتیلن یا پروپیلن و کاتالیزور احتراق در اگزوز اتومبیل ها.

 

5- اکوستیک

آئروژل ها ، آمپدانس اکوستیک بسیار پایینی دارند و به عنوان کاندیداي مناسبی براي ساخت تجهیزات جاذب صدا و ضربه مطرح است. کارایی عایق اکوستیکی کامپوزیت هاي سیلیکا آئروژل، در محدوده فرکانس پایین بسیار عالی است.

 

6- میکروالکترونیک ها

آئروژل ها موادي با کمترین ثابت دي الکتریک می باشند. استفاده از چنین موادي در میکروالکترونیک ها باعث کاهش قابل ملاحضه ظرفیت الکتریکی و بنابراین افزایش سرعت پاسخ ها می شود.

 

7- مهندسی برق

با پر کردن منافذ سیلیکا آئروژل با اکسید آهن یک ساختار نانو با یک رفتار مغناطیسی نرم و دانسیته پایین و همچنین مقاومت الکتریکی بالا تشکیل می شود. رفتار کربن آئروژل ها مخصوص مهندسی برق می باشد که از آنها به عنوان الکترود در یک سطح بسیار بزرگ استفاده می شود که اجازه می دهد براي یک ظرفیت الکتریکی بالا الکترودها با ضخامت  500 – 50 میکرومتراز کربن آئروژل با دانسیته تقریبا 300 کیلوگرم بر متر مکعب ساخته شده اند.

 

-8 دیواره هاي شفاف

آئروژل ها به شدت اشعه فروسرخ را جذب می کنند و کمترین ضریب هدایت گرمایی در میان جامد ها را دارا می باشند که از آن به عنوان یک عایق حرارتی شفاف استفاده می شود که مانعی براي انتقال نور خورشید و انتقال حرارت مناسب می باشد. 91% از تابش ورودي در سطح زمین نهفته است که در محدوده طول موج های 2000-400 نانومتر می باشد که درآن شفافیت آئروژل کمتر از شیشه معمولی می باشد. با این وجود در مقایسه با شیشه، آئروژل ها یک عایق حرارتی منحصر به فردند که براي تجمع کارامدتر انرژي خورشیدي و حفظ گرماي ارائه شده از سیستم هاي گرمایشی استفاده می شوند. مثلا:  آئروژل ها می توانند به عنوان یک دیواره شفاف در یک جمع کننده انرژي خورشیدي در زندگی استفاده شوند.

ساختار مشابه بدون جاذب اشعه هاي خورشیدي براي ساخت یک دیواره شفاف در بخش هایی از زندگی توسعه یافته اند.

 

9- خالص سازي مایعات و گازها

با توجه به سطح وسیع آئروژل ها می تون آنها را به عنوان فیلتر براي مقاصد مختلف به کار برد. آئروژل هاي آب گریز براي جذب مواد محلول یا نامحلول در آب موثر می باشند. استفاده از آئروژل ها براي جذب زباله هاي هسته اي دراز مدت که در زباله هاي رادیواکتیو مایع موجود است نیز استفاده می شود. آئروژل ها براي تصفیه هوا از ذرات معلق وخطرناك مایع یا جسم به صورت گردو غبار و گاز در هوا و همچنین ویروس ها و باکتري ها در ابعاد  20-2000 نانومتر مورد استفاده قرار می گیرد.