Az aerogélek a világ legkönnyebb szilárd anyagai, szinte olyan könnyűek, mint a levegő. Ezt a kis sűrűséget a rendkívül nagy porozitásukkal érik el. Az aerogélek szilárd vázát üveg, kerámia, polimer vagy hibrid-anyagok szolgáltatják, és az általuk közbezárt nanoméretű pórusokat, üregeket levegő tölti ki. A pórusok átmérője jellemzően 1 – 100 nm közé esik. Az első aerogélt 1931-ben Samual Kistler készítette Kaliforniában. Vízüvegből (Na2SiO3 vizes oldatából) gyártott szilika aerogélt. Kistler az aerogélek névadója is. Később megfeledkeztek az aerogélekről majd 50 évre. Az 1980-as években indultak újra az aerogél kutatások, fém-alkoxidok felhasználásával. 1990-ben számoltak be először szén aerogélről. 1999-ben a NASA először alkalmazta a szilika aerogéleket az űrtechnikában, csillagközi porok gyűjtésére.
A szilika aerogélek 15 Guinness rekordot tartanak! ♦ A világ legkisebb sűrűségű szilárd anyagai (95 – 99,8 %-uk levegő). 3 (a levegőé 1,2 mg/cm3 )! 2003-ig 3 mg/cm3 volt a rekord, 2003-ban (pl. a víz sűrűsége 500x-a, a szilika/kvarcüvegé 2000x-e az aerogélekének) Ipari méretekben 10 – 300 mg/cm3 sűrűségű, 600 – 1000 m2/g fajlagos felületű szilika aerogélt gyártanak. A laza, pórusos szerkezetet felépítő elemi részecskék mérete 2 – 10 nm.
♦ A világ legjobb hőszigetelő anyagai Rendkívül kicsi a hővezetőképességük: 0,03 – 0,004 W/mK. Egy 18 mm vastagságú szilika aerogélréteg megvéd a Mars –130 °C-os hidegétől is! 2,5 cm-es aerogélréteg jobban szigetel, mint 20 egymásra ragasztott termopanüveg. A levegő nem tud cirkulálni az aerogélek pórusrendszerében, a hőátadás egyik típusa sem (hővezetés, sugárzás, konvekció) jellemző ezekre az anyagokra.
♦ A világ legjobb hangszigetelő anyagai
♦ Kiváló elektromos anyagok
szigetelő
♦ Átlátszó anyagok, sötét háttér előtt kék árnyalatúak, világos háttér előtt sárgák. A színárnyalatokat a látható fény rövidebb hullámhosszú sugarainak szórása okozza (Rayleigh-szórás az 5 – 100 nm-es részecskéken és pórusokon).
♦ A világ egyik legjobb nedvszívó anyagai.
♦ Kiváló elektromos anyagok
szigetelő
♦ Átlátszó anyagok, sötét háttér előtt kék árnyalatúak, világos háttér előtt sárgák. A színárnyalatokat a látható fény rövidebb hullámhosszú sugarainak szórása okozza (Rayleigh-szórás az 5 – 100 nm-es részecskéken és pórusokon).
♦ A világ egyik legjobb nedvszívó anyagai. ♦
A nyomószilárdságuk jó, annak
ellenére, hogy a laza szerkezetek igen törékenyek. Egy 2 g-os aerogél 2,5 kg-os téglát is elbír.
♦ 6 mm-es aerogélréteg megvéd egy 1 kg-os dinamitrúd közeli robbanásától. ♦ Rendkívül kis törésmutatójú anyagok (1,03!)
Si(OC2H5)4(al) + H2O è Si(OC2H5)3(OH)(al) + C2H5OH ≡Si–OH(al) + HO–Si≡(al) è ≡Si–O–Si≡(al) + H2O ≡Si–OR(al) + HO–Si≡(al) è ≡Si–O–Si≡(al) + ROH
gélesítés
Kiindulási oldat
Gél
á sz
1
gélesítés
Kiindulási oldat
s ír tá
Gél
Xerogél
at
sz ár s z ítás up er kr it
ik u
s
Aerogél
Szuperkritikus pont: folyadék és gőz fázis sűrűsége megegyezik
z Gő
Fo
ly a
dé
k
Nyomás
Pc
Hőmérséklet
Tc
CO2 CH3OH C2H5OH Víz
Tc
Pc
(°C)
(MPa)
31,1 240 243 374
7,36 7,93 6,36 22,0
50x-es nagyítás
10x-es felület
10 000x-es felület SEM
Nagyítás 25 000x-es
TEM H Si O (Si-O-Si) O (Si-O-H)
15 000x-es nagyítás
Tömör , 3-D nanoméretű részecskék véletlenszerű összekapcsolódása.
Aggregát szerkezet:
3 nm HO HOH HO
H O Si O HO
Si O O
O O
Si O Si O HO Si O H
O
OH Si OH O OH Si O Si OH O
Si O
O Si
O O H
OH
H
-
O
+
Altetra
Si
Al okta
+
+
-
-
-
+
+ -
+ +
3 nm-es sugarú
elemi részecske
Rezorcinol (melamin) + formaldehid a polikondenzáció (vizes közegben) H C
R
O
R
R R
H
+ OH
R R R
OH
R
R
R
R R
R R R
R
Rezorcinol (melamin) + formaldehid a polikondenzáció (vizes közegben) H C
R
O
R
R R
H
+ OH
R R R
OH
R
R
R
R R
R R R
R
Kovalens kötésekkel összetartott, szénvázú (─C─C─) porózus rendszer. Két típus: kolloidális (12-15 nm-es részecskék lazán összekötve grafitszalagokkal); polimeres (7-9 nm-es részecskék, melyek kiszélesedett nyakukon keresztül vannak összkötve).
Előállítás
Rezorcinolból és formaldehidből aerogélt készítenek, melyet 1050 ºC-on pirolizálnak inert atmoszférában.
Paraméterek pórusméret 2 – 50 nm; fajlagos felület 400 – 1000 m2/g; sűrűség 7 – 50 mg/cm3 Elektromos vezetők! Szuperkondenzátorként alkalmazhatók (2000-5000x kisebbek, mint az ugyanilyen teljesítményű hagyományos kondenzátorok).
■ szűrő és szeparációs technikákban (ultra-, mikro-, molekulaszűrők, membránok, víztisztítás, pl. olajszennyezések eltávolítása a tengerekből) ■ űrtechnikában („Stardust collector” NASA, az első 1999-ben) repülőgépek, űrhajók egységei: feladatuk a csillagközi porok gyűjtése
■ szűrő és szeparációs technikákban (ultra-, mikro-, molekulaszűrők, membránok, víztisztítás ■ űrtechnikában („Stardust collector” NASA) repülőgépek, űrhajók egységei: feladatuk a csillagközi porok gyűjtése ■ szigetelés technikában (épületek, ablakok, járművek, hűtőszekrények) NASA a MARS ROVER-ben hőszigetelőként alkalmazza a szilika aerogélt.
■ szűrő és szeparációs technikákban (ultra-, mikro-, molekulaszűrők, membránok, víztisztítás ■ űrtechnikában („Stardust collector” NASA) repülőgépek, űrhajók egységei: feladatuk a csillagközi porok gyűjtése ■ szigetelés technikában (épületek, ablakok, járművek, hűtőszekrények) NASA a MARS ROVER-ben hőszigetelőként alkalmazza a szilika aerogélt. ■ teniszütőkben (növeli a keménységet, a kontrollálhatóságot, rezgés csillapító hatású)
■ szűrő és szeparációs technikákban (ultra-, mikro-, molekulaszűrők, membránok, víztisztítás ■ űrtechnikában („Stardust collector” NASA) repülőgépek, űrhajók egységei: feladatuk a csillagközi porok gyűjtése ■ szigetelés technikában (épületek, ablakok, járművek, hűtőszekrények) NASA a MARS ROVER-ben hőszigetelőként alkalmazza a szilika aerogélt. ■ teniszütőkben (növeli a keménységet, a kontrollálhatóságot, rezgés csillapító hatású) ■ katalízisnél (katalizátorhordozók) ■ gyógyszerhatóanyag célba juttatás (polimer aerogélek) ■ energiatárolás (szén aerogél az IR-sugárzásnak csak 0,3%-át tükrözi vissza † napenergia-tárolás) (hidrogéngáz-tárolás)
