Aerogels är kända som "frusen rök" på grund av deras spöklika blå utseende. NASA/JPL-Caltech Airgel, ett material skapat på en satsning mellan två forskare i slutet av 1920 -talet, kan vara den mest unika substansen på jorden. Det är det lättaste som finns - Guinness World Records sa till och med det - men det kan stödja 500 till 4, 000 gånger sin egen vikt (beroende på vem du frågar) [källa:NASA JPL, Guiness; Steiner, Noll gravitation]. En kubikmeter aerogel kan spridas ut för att täcka en hel fotbollsplan. Det är andningsbart och brandsäkert, och det absorberar både olja och vatten. Airgel är också fantastiskt stark, med tanke på dess vikt. Aerogels kan vara bra elektriska ledare, men när de är gjorda av olika material, de är också en av de bästa isolatorer som någonsin har känt [källa:Steiner, Noll gravitation]. Så varför har inte aerogels det A-lista namnigenkänning de förtjänar?
Tyvärr, att ta fram en så unik produkt tar extra mycket tid och pengar, delvis eftersom endast en mycket liten mängd aerogel tillverkas i varje sats. Även om man producerar mer aerogel åt gången skulle priset sänkas, processen och materialen ensam kommer med en hög prislapp på cirka $ 1,00 per kubikcentimeter. För cirka $ 23, 000 per pund, airgel är för närvarande dyrare än guld [källa:NASA JPL, Vanliga frågor]!
En sådan värdefull produkt tycks tillhöra bredvid diamanterna och pärlorna i en arvtagares smyckeskrin. Men det är mer troligt att airgel isoleras en raket eller förtjockar färg än att pryder rika socialiter. Även om aerogeler kanske inte är lika glamorösa som guld, de utför sina uppgifter utan kamrat.
I den här artikeln, vi ska utforska vad som gör aerogels unika, från deras upptäckt i Kalifornien i slutet av 1920 -talet, till deras resa för att samla rymdstoft 1999. Vi får också se vad framtiden innebär för aerogeler och om det verkligen finns ett sätt att göra dem mer kostnadseffektiva för allmänheten. Till sist, vi visar dig hur du kan göra din egen aerogel - överraskande nog, det kan göras.
Läs vidare för att lära dig mer om hur airgel först såg ut och hur detta anpassningsbara ämne tillverkas.
Innehåll
Legenden om aerogelen är höljt i mystik. Vad vi vet är att i slutet av 1920 -talet Den amerikanske kemiprofessorn Samuel Kistler satsade med kollegan Charles Learned. Kistler trodde att det som gjorde ett föremål till en gel inte var dess flytande egenskaper utan dess struktur:specifikt sitt nätverk av små, mikroskopiska porer som kallas nanoporer. Att försöka bevisa detta genom att helt enkelt avdunsta vätskan ledde till att gelén tömdes ut som en soufflé. Så, spelets syfte var att vara den första som ersatte vätskan i "geléer" med gas, men utan att skada strukturen [källa:Steiner, Noll gravitation].
Efter mycket försök och fel, Kistler var den första som framgångsrikt ersatte gelens vätska med en gas, skapa ett ämne som strukturellt var en gel, men utan vätska. År 1931 publicerade han sina fynd i en artikel som heter "Coherent Expanded Aerogels and Jellies" i den vetenskapliga tidskriften Nature [källa:Ayers, Pionjär].
Airgel börjar som en gel, kallad alkogel . Alcogel är en kiselgel med alkohol inuti porerna. Att helt enkelt avdunsta alkoholen ur kiseldioxidstrukturen skulle få strukturen att dra ihop sig, ungefär som att en våt svamp deformeras när den lämnas på en bänk för att torka. Istället för att bara förlita sig på avdunstning, gelén måste vara superkritiskt torkad. Här är vad som krävs:
Superkritisk torkning är hur den flytande "alko" -delen av alkogelen förvandlas till en gas i kiseldioxidens nanoporer utan att strukturen kollapsar. Alcogelen med alkoholen borttagen kallas nu aerogel, eftersom alkoholen har ersatts av luft. Med bara 50 till 99 procent av originalmaterialets volym, airgel är ett ljus, flexibelt och användbart material [källa:Steiner, Noll gravitation].
Fortsätt till nästa sida för att lära dig om de vanligaste typerna av aerogeler som används idag.
De tre vanligaste typerna av aerogeler är kiseldioxid, kol- och metalloxider, men det är kiseldioxid som oftast används experimentellt och i praktiska tillämpningar. När folk pratar om aerogeler, chansen är stor att de pratar om silikatypen [källa:Aerogel.org, Kiseldioxid]. Kiseldioxid ska inte förväxlas med kisel, som är en halvledare som används i mikrochips. Kiseldioxid är ett glasartat material som ofta används för isolering.
Till skillnad från de rökblå kiseldioxid aerogelerna, kolbaserade är svarta och känns som kol vid beröring. Vad de saknar i utseende, de kompenserar för hög yta och elektriskt ledande kapacitet. Dessa egenskaper gör kol -aerogeler användbara för superkondensatorer, bränsleceller och avsaltningssystem [källa:Aerogel.org, Organisk].
Metalloxid -aerogeler är tillverkade av metalloxider och används som katalysatorer för kemiska transformationer. De används också vid tillverkning av sprängämnen och kolnanorör, och dessa aerogeler kan till och med vara magnetiska. Det som skiljer metalloxid -aerogeler som järnoxid och krom från sina vanligare kiseldioxidkusiner är deras utbud av häpnadsväckande ljusa färger. När det gjordes till en aerogel, järnoxid ger en aerogel i sin varumärkesrostfärg. Chromia aerogeler verkar djupt gröna eller blåa. Varje typ av metalloxid resulterar i en aerogel med en något annan färg. [källa:Aerogel.org, Metall].
Kiseldioxid aerogeler - de vanligaste aerogelerna - är blå av samma anledning som himlen är blå. Den blå färgen uppstår när vitt ljus möter aerogelens kiseldioxidmolekyler, som är större än ljusets våglängder. Airgel sprider, eller reflekterar, ljusets kortare våglängder lättare än de längre. Eftersom blått och violett ljus har de kortaste våglängderna, de sprider mer än andra färger i det synliga spektrumet. Vi ser spridda våglängder som färg, och eftersom våra ögon är känsligare för blå våglängder, vi ser aldrig de violetta [källa:Steiner, Noll gravitation].
Läs vidare för att lära dig mer om aerogels applikationer i rymden.
Vatten kontra alkoholAlcogels har sina porer fyllda med alkohol, men tänk om du använde vatten istället? I hans första experiment, Kistler används hydrogeler , som innehöll vatten. Vid torkning, dessa geler beter sig mycket som Jell-O gör. De bryts ner till en klumpig, rörig klump eftersom vätskan i hydrogel förångas för snabbt för att ämnet ska behålla sin form. Med varje molekyl som sipprar ut, andra försöker fylla luckorna. Detta orsakar det som kallas kapillär stress i gelens porer, får hela strukturen att kollapsa [källa:Hunt och Ayers, Historia].
Denna dammsamlare för rymdfarkosten STARDUST var utrustad med 260 aerogelpaneler. NASA/JPL-Caltech Aerogels mångsidighet har gjort det mycket viktigt både på jorden och i rymden. Det har fyllt en mängd olika roller på flera NASA -uppdrag, från att isolera Mars -rovernas elektriska utrustning till att fånga rymdstoft från en hastig komet.
Kometer är primitiva föremål som går tillbaka till solsystemets födelse. När de flyger genom rymden, de avger partiklar som kallas rymdstoft. Detta rymdstoft är mycket eftertraktat av forskare som hoppas att det kommer att lära oss hur vår värld började.
På ett uppdrag att fånga kometprover och rymddamm 1999, NASA lanserade en rymdfarkost som reste 4,8 miljarder kilometer (motsvarande 6, 000 resor till månen) för att nå kometen Wild 2. Väl där, den tennisracketformade dammuppsamlaren öppnade sig och använde sina 260 aerogelbitar för att fånga upp de snabba partiklarna av interstellärt damm och bevara dem i sitt naturliga tillstånd [källa:NASA JPL, Airgel]. Vad mer, som partiklar bombade dammsamlaren, de lämnade spår inom samlarens aerogelbitar medan de saktade till ett stopp. Dessa spår gjorde det möjligt för forskare att lättare hitta de små partiklarna från rymden.
När rymdfarkosten kom hem 2006, det tog tillbaka de första proverna som återvände till jorden från rymden på mer än 30 år. Aerogels hållbarhet gjorde det möjligt för dammsamlaren att återvända från rymden intakt utan att en enda aerogelplatta saknades. Forskare har kunnat studera damm och kristaller i aerogelen och avvakta de insikter de kan ge [källa:Bridges].
Nästa, vi lär oss om några av aerogels kommersiella applikationer.
Kritorna ovanpå aerogelen är skyddade från lågan nedanför. Liknande kiseldioxid -aerogeler användes för att isolera Mars -rovern. NASA/JPL-Caltech Under deras tidigaste dagar, aerogeler marknadsfördes som förtjockningsmedel och användes i allt från smink och färg till napalm. De användes också som cigarettfilter och isolering för frysar. Monsanto var det första företaget som marknadsförde aerogels kommersiella applikationer. Dock, Kistlers superkritiska torkmetod, fast effektivt, var också farlig, tidskrävande och dyrt. Efter 30 års produktion, alla dessa faktorer ledde till att Monsanto avbröt sitt fokus på aerogeler på 1970 -talet.
Dock, detta var inte slutet på airgel. Inte långt efter att det övergavs av Monsanto, forskare utvecklade en process som gjorde produktionen av aerogeler mindre giftiga genom att använda en säkrare alkoxidförening. De gjorde det också mindre farligt genom att ersätta superkritisk alkohol med superkritisk koldioxid i torkningsprocessen. Denna utveckling minskade tiden som torkade aerogelerna och minskade deras farliga och brandfarliga karaktär. Sådana framsteg gjorde airgel lite mer kommersiellt gångbart igen, och forskare blev fascinerade av produktens möjligheter. [källa:Hunt och Ayers, Historia]
Eftersom aerogels produktion blev mindre komplicerad och farlig, dess unika egenskaper har gjort airgel populär bland en rad branscher. Tillverkare av kisel, tillverkare och rymdbyråer för alla byggmaterial har alla tagit airgel i bruk. Dess popularitet har bara hindrats av kostnader, även om det blir en allt mer framgångsrik drivkraft för att skapa aerogeler som är kostnadseffektiva. Sålänge, aerogels finns i en rad produkter:
[källa:Aerogel.org, Modern historia]
På grund av aerogels unika struktur, dess användning som en isolator en no-brainer. De superisolerande luftfickorna med aerogelstrukturen motverkar nästan helt de tre värmeöverföringsmetoderna:konvektion, ledning och strålning [källa:Cabot Corporation]. Även om airgel fortfarande är ganska dyrt, den goda nyheten är att studier har visat att aerogelisolering som används i väggramar och svårisolerade områden som fönsterblinkning kan spara en husägare upp till $ 750 per år. Förutom att hjälpa husägare att spara pengar, aerogelisolering kan avsevärt minska ditt koldioxidavtryck. [källa:Aspen Aerogels, Nytt Spaceloft]. Företag tävlar för att hitta ett sätt att sänka kostnaderna, men för nu, aerogels är billigare för NASA än allmänheten. Fortfarande, aerogeler tas i bruk av byggföretag, kraftverk och raffinaderier. Kanske när det är billigare, airgel kommer att uppnå den A-listans status.
Från jorden till rymden, aerogels har utan tvekan en plats i vår framtid. Läs vidare för att lära dig om de senaste framstegen inom aerogel och hur du, för, kan experimentera med aerogel.
En 5,5 pund tegel stöds av en bit silika -aerogel som bara väger 2 gram (0,07 uns). NASA/JPL-Caltech Även om airgel är dyrt, forskare experimenterar fortfarande med sätt att göra det starkare, billigare och mindre farligt. Till exempel, Professor Nicholas Leventis från Missouri University of Science and Technology förvånade vetenskapsvärlden 2002 med tillkännagivandet att han hade utvecklat en metod för att göra icke-spröda aerogeler. Leventis aerogels, känd som x-aerogels , är inte bara starkare; de är också mer flexibla, vattentät och slagfast. Nackdelen är att x-aerogelproduktion kräver mer farliga kemikalier och tar mer tid; dessa kemikalier minskar också dess isoleringsförmåga [källa:Aerogel.org, Stark]. Trots några negativa x-aerogels har följande möjliga tillämpningar:
[källa:Leventis]
Dessutom, aerogels kan hjälpa till med drivkraften för mer "grön" teknik. Carbon airgel har stor potential för superkondensatorer och bränsleceller för energieffektiva bilar. Faktiskt, energilagringskapaciteten för kol -aerogel kan åstadkomma en rad nya tekniker, men bara om aerogels produktionspris blir mer överkomligt för storskaliga verksamheter.
Den goda nyheten är att du inte behöver vara en välfinansierad forskare för att experimentera med att göra nya aerogeler. Vill du göra din egen airgel? Även om det är möjligt att göra detta hemma, det görs bäst i ett laboratorium som innehåller alla nödvändiga material, inklusive en autoklav för att överkritiskt torka din aerogel. (Om du känner dig superproduktiv, här finns instruktioner om hur du gör din egen superkritiska torktumlare.) Fråga runt ditt lokala universitet eller community college; risken är, om du säger till dem att du har ett recept du vill arbeta med, de kan låta dig använda sin utrustning [källa:Hunt och Ayers, Tillverkning; Aerogel.org, Bygga].
Flera webbplatser ger instruktioner om hur man gör aerogeler, inklusive aerogel.org och den här från University of California. Oavsett var du gör din aerogel, säkerhetsåtgärder är ett måste. Använd skyddsglasögon, handskar (den bästa typen är diskmedel), långbyxor, skor med slutna tå och en målarmask för att skydda dig mot farliga ångor och brandfarliga material. [källa:Steiner, Hur man gör; Hunt och Ayers, Tillverkning]
Aerogels - finns det något de inte kan göra? Förhoppningsvis kommer allmänheten att vara på förnamn med dem inom en snar framtid. För mer information om aerogeler och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.
