science >> Wetenschap > >> anders

Hoe Aerogels werken

Aerogels staan bekend als "bevroren rook" vanwege hun spookachtig blauwe uiterlijk. NASA/JPL-Caltech

Aerogel, een materiaal gemaakt op een weddenschap tussen twee wetenschappers in de late jaren 1920, misschien wel de meest unieke stof op aarde. Het is de lichtste vaste stof die er bestaat -- Guinness World Records zei het zelfs -- maar het kan 500 tot 4 ondersteunen, 000 keer zijn eigen gewicht (afhankelijk van wie je het vraagt) [bron:NASA JPL, Guiness; Steiner, Gewichtloosheid]. Een kubieke centimeter aerogel zou kunnen worden uitgespreid om een heel voetbalveld te bedekken. Het is ademend en brandveilig, en het absorbeert zowel olie als water. Aerogel is ook verbazingwekkend sterk, gezien zijn gewicht. Aerogels kunnen geweldige elektrische geleiders zijn, maar wanneer gemaakt van verschillende materialen, ze zijn ook een van de beste isolatoren die ooit zijn gekend [bron:Steiner, Gewichtloosheid]. Dus waarom hebben aerogels niet de A-lijst naamsbekendheid die ze verdienen?

Helaas, het produceren van zo'n uniek product kost buitengewoon veel tijd en geld, gedeeltelijk omdat er in elke batch slechts een zeer kleine hoeveelheid aerogel wordt gemaakt. Hoewel het produceren van meer aerogel per keer de prijs zou verlagen, alleen al het proces en de materialen hebben een hoog prijskaartje van ongeveer $ 1,00 per kubieke centimeter. Op ongeveer $ 23, 000 per pond, aerogel is momenteel duurder dan goud [bron:NASA JPL, veelgestelde vragen]!

Zo'n waardevol product lijkt te horen naast de diamanten en parels in het juwelenkistje van een erfgename. Maar aerogel wordt eerder gevonden om een raket te isoleren of verf te verdikken dan om rijke socialites te versieren. Hoewel aerogels misschien niet zo glamoureus zijn als goud, ze voeren hun taken uit zonder peer.

In dit artikel, we zullen onderzoeken wat aerogels uniek maakt, van hun ontdekking in Californië in de late jaren 1920, op hun reis om ruimtestof te verzamelen in 1999. We zullen ook zien wat de toekomst voor aerogels in petto heeft en of er inderdaad een manier is om ze kosteneffectiever te maken voor het grote publiek. Eindelijk, we laten je zien hoe je je eigen aerogel kunt maken -- verrassend genoeg, het kan gedaan worden.

Lees verder om meer te weten te komen over hoe aerogel voor het eerst verscheen en hoe deze aanpasbare stof wordt gemaakt.

Inhoud

Aerogel-geschiedenis
Soorten Aerogels
Aerogels in de ruimte
Dagelijks gebruik van aerogel
De toekomst van aerogels

Aerogel-geschiedenis

De legende van de aerogel is gehuld in mysterie. Wat we wel weten is dat aan het eind van de jaren twintig, De Amerikaanse scheikundeprofessor Samuel Kistler had een weddenschap met collega Charles Learned. Kistler geloofde dat wat een object tot een gel maakte, niet de vloeibare eigenschappen waren, maar de structuur:specifiek, zijn netwerk van kleine, microscopisch kleine poriën bekend als nanoporiën. Door dit te bewijzen door simpelweg de vloeistof te verdampen, liep de gel leeg als een soufflé. Dus, het doel van het spel was om als eerste de vloeistof in "gelei" te vervangen door gas, maar zonder schade aan de structuur te veroorzaken [bron:Steiner, Gewichtloosheid].

Na veel vallen en opstaan, Kistler was de eerste die met succes de vloeistof van de gel verving door een gas, het creëren van een substantie die structureel een gel was, maar zonder vloeistof. Tegen 1931 publiceerde hij zijn bevindingen in een artikel genaamd "Coherent Expanded Aerogels and Jellies" in het wetenschappelijke tijdschrift Nature [bron:Ayers, Pionier].

Aerogel begint als een gel, genaamd alcoholische drank . Alcogel is een silicagel met alcohol in de poriën. Het eenvoudigweg verdampen van de alcohol uit de silicastructuur zou ervoor zorgen dat de structuur samentrekt, net zoals een natte spons zal vervormen als hij op een aanrecht wordt achtergelaten om te drogen. In plaats van alleen te vertrouwen op verdamping, de gel moet zijn superkritisch gedroogd. Dit is wat er nodig is:

Breng de gel onder druk en verwarm hem voorbij het kritieke punt - het punt waarop er geen verschil is tussen gas en vloeistof.
Druk de gel af terwijl deze nog steeds boven de kritische temperatuur blijft. Naarmate de druk afneemt, moleculen komen vrij als een gas en de vloeistof wordt minder dicht.
Haal de gel uit je warmtebron. Nadat de structuur is afgekoeld, er is te weinig alcohol om terug in vloeistof te condenseren, dus het keert terug naar een gas.
Bekijk je eindproduct. Wat achterblijft is een vaste stof gemaakt van silica, maar nu gevuld met gas (lucht) waar ooit vloeistof was.

Superkritisch drogen is hoe het vloeibare "alco" -deel van de alcogel verandert in een gas in de nanoporiën van het silica zonder dat de structuur instort. De alcogel waarvan de alcohol is verwijderd heet nu aerogel, omdat de alcohol is vervangen door lucht. Met slechts 50 tot 99 procent van het volume van het oorspronkelijke materiaal, aerogel is een licht, flexibel en bruikbaar materiaal [bron:Steiner, Gewichtloosheid].

Ga verder naar de volgende pagina om meer te weten te komen over de meest voorkomende soorten aerogels die tegenwoordig worden gebruikt.

Soorten Aerogels

De drie meest voorkomende soorten aerogels zijn silica, koolstof en metaaloxiden, maar het is silica dat het meest experimenteel en in praktische toepassingen wordt gebruikt. Als mensen over aerogels praten, de kans is groot dat ze het hebben over het silicatype [bron:Aerogel.org, kiezelzuur]. Silica is niet te verwarren met silicium, dat is een halfgeleider die wordt gebruikt in microchips. Silica is een glasachtig materiaal dat vaak wordt gebruikt voor isolatie.

In tegenstelling tot de rookblauwe silica-aerogels, op koolstof gebaseerde degenen zijn zwart en voelen aan als houtskool. Wat ze missen aan uiterlijk, ze maken een groot oppervlak en elektrisch geleidend vermogen goed. Deze eigenschappen maken koolstofaerogels nuttig voor supercondensatoren, brandstofcellen en ontziltingssystemen [bron:Aerogel.org, Biologisch].

Metaaloxide-aerogels zijn gemaakt van metaaloxiden en worden gebruikt als katalysatoren voor chemische transformaties. Ze worden ook gebruikt bij de productie van explosieven en koolstofnanobuizen, en deze aerogels kunnen zelfs magnetisch zijn. Wat metaaloxide-aerogels zoals ijzeroxide en chromia onderscheidt van hun meer gebruikelijke silica-neven, is hun reeks verrassend heldere kleuren. Wanneer gemaakt in een aerogel, ijzeroxide geeft een aerogel in zijn kenmerkende roestkleur. Chromia-aerogels lijken diepgroen of blauw. Elk type metaaloxide resulteert in een aerogel met een iets andere kleur. [bron:Aerogel.org, Metaal].

Silica aerogels - de meest voorkomende aerogels - zijn blauw om dezelfde reden dat de lucht blauw is. De blauwe kleur treedt op wanneer wit licht de silicamoleculen van de aerogel ontmoet, die groter zijn dan de golflengten van licht. De aerogel verstrooit, of reflecteert, de kortere golflengten van licht gemakkelijker dan de langere. Omdat blauw en violet licht de kortste golflengten hebben, ze verstrooien meer dan andere kleuren van het zichtbare spectrum. We zien verstrooide golflengten als kleur, en aangezien onze ogen gevoeliger zijn voor blauwe golflengten, we zien nooit de violette [bron:Steiner, Gewichtloosheid].

Lees verder om meer te weten te komen over de toepassingen van aerogels in de ruimte.

Water versus alcohol

Alcogels hebben hun poriën gevuld met alcohol, maar wat als je in plaats daarvan water gebruikt? In zijn eerste experimenten, Kistler gebruikt hydrogels , die water bevatte. Bij het drogen, deze gels gedragen zich net als Jell-O. Ze vallen uiteen in een kleverige, rommelige klodder omdat de vloeistof in de hydrogel te snel verdampt om de substantie zijn vorm te behouden. Met elk molecuul dat eruit sijpelt, anderen proberen de gaten op te vullen. Dit veroorzaakt wat bekend staat als capillaire spanning in de poriën van de gel, waardoor de hele structuur instortte [bron:Hunt en Ayers, Geschiedenis].