Under de senaste decennierna, sökandet efter högpresterande värmeisolering för byggnader har fått tillverkare att vända sig till aerogeler. Uppfanns på 1930-talet, dessa märkliga material är genomskinliga, ultraporös, lättare än en marshmallow, stark nog att stödja en tegelsten, och en oöverträffad barriär mot värmeflöde, vilket gör dem idealiska för att hålla värmen inne en kall vinterdag och utomhus när sommartemperaturerna stiger.

Fem år sedan, forskare under ledning av Evelyn Wang, en professor och prefekt för institutionen för maskinteknik, och Gang Chen, Carl Richard Söderberg professor i kraftteknik, för att lägga till ytterligare en egenskap till listan. De hade som mål att göra en kiselgel som verkligen var genomskinlig.

"Vi började med att försöka realisera en optiskt transparent, värmeisolerande aerogel för solvärmesystem, säger Wang. Inbyggd i en solfångare, en platta aerogel skulle tillåta solskenet att komma in obehindrat men förhindra att värmen kommer tillbaka ut – ett nyckelproblem i dagens system. Och om den genomskinliga aerogelen var tillräckligt klar, det kan integreras i fönster, där den skulle fungera som en bra värmebarriär men ändå låta de åkande se ut.

När forskarna började sitt arbete, även de bästa aerogelerna klarade inte dessa uppgifter. "Folk hade vetat i årtionden att aerogeler är en bra värmeisolator, men de hade inte kunnat göra dem särskilt optiskt genomskinliga, " säger Lin Zhao Ph.D. '19 i maskinteknik. "Så i vårt arbete, vi har försökt förstå exakt varför de inte är särskilt transparenta, och sedan hur vi kan förbättra deras transparens."

Aerogels:möjligheter och utmaningar

De anmärkningsvärda egenskaperna hos en kiseldioxidaerogel är resultatet av dess struktur i nanoskala. För att visualisera den strukturen, tänk på att hålla en hög med små, klara partiklar i handen. Föreställ dig att partiklarna rör vid varandra och lite fastnar ihop, lämnar luckor mellan dem som är fyllda med luft. Liknande, i en kiseldioxidaerogel, klar, löst kopplade, kiseldioxidpartiklar i nanoskala bildar ett tredimensionellt fast nätverk inom en övergripande struktur som mestadels är luft. På grund av all den luften, en kiseldioxidaerogel har en extremt låg densitet – faktiskt, en av de lägsta densiteterna av något känt bulkmaterial - men den är solid och strukturellt stark, fast skör.

Om en kiseldioxidaerogel är gjord av genomskinliga partiklar och luft, varför är det inte genomskinligt? För ljuset som kommer in går inte allt rakt igenom. Den avleds när den möter ett gränssnitt mellan en fast partikel och luften som omger den. Figur 1 illustrerar processen. När ljus kommer in i aerogelen, en del absorberas inuti den. Vissa – som kallas direkt överföring – går rakt igenom. Och en del omdirigeras längs vägen av dessa gränssnitt. Det kan spridas många gånger och åt alla håll, slutligen lämnar aerogelen i en vinkel. Om den går ut från ytan genom vilken den kom in, det kallas diffus reflektans; om den går ut från andra sidan, det kallas diffus transmittans.

För att göra en aerogel för ett solvärmesystem, forskarna behövde maximera den totala transmittansen:de direkta plus de diffusa komponenterna. Och för att göra en aerogel för ett fönster, de behövde maximera den totala transmittansen och samtidigt minimera andelen av det totala som är diffust ljus. "Att minimera det diffusa ljuset är avgörande eftersom det kommer att få fönstret att se grumligt ut, " säger Zhao. "Våra ögon är mycket känsliga för eventuella brister i ett transparent material."

Att utveckla en modell

Storleken på nanopartiklarna och porerna mellan dem har en direkt inverkan på ljusets öde som passerar genom en aerogel. Men att räkna ut att interaktion genom försök och misstag skulle kräva att syntetisera och karakterisera för många prover för att vara praktiskt. "Människor har inte systematiskt kunnat förstå sambandet mellan strukturen och prestationen, " säger Zhao. "Så vi behövde utveckla en modell som skulle koppla ihop de två."

Att börja, Zhao vände sig till strålningstransportekvationen, som matematiskt beskriver hur ljusets utbredning (strålning) genom ett medium påverkas av absorption och spridning. Det används vanligtvis för att beräkna överföringen av ljus genom atmosfärerna på jorden och andra planeter. Så vitt Wang vet, det har inte undersökts fullt ut för aerogelproblemet.

Både spridning och absorption kan minska mängden ljus som överförs genom en aerogel, och ljuset kan spridas flera gånger. För att ta hänsyn till dessa effekter, modellen frikopplar de två fenomenen och kvantifierar dem separat – och för varje ljusvåglängd.

Baserat på storleken på kiseldioxidpartiklarna och provets densitet (en indikator på total porvolym), modellen beräknar ljusintensiteten inom ett aerogellager genom att bestämma dess absorptions- och spridningsbeteende med hjälp av förutsägelser från elektromagnetisk teori. Med hjälp av dessa resultat, den beräknar hur mycket av det inkommande ljuset som passerar direkt genom provet och hur mycket av det som sprids längs vägen och kommer ut diffust.

Nästa uppgift var att validera modellen genom att jämföra dess teoretiska förutsägelser med experimentella resultat.

Syntetisera aerogeler

Arbetar parallellt, doktorand Elise Strobach från maskinteknik hade lärt sig hur man bäst syntetiserar aerogelprover – både för att vägleda utvecklingen av modellen och i slutändan för att validera den. I processen, hon tog fram nya insikter om hur man syntetiserar en aerogel med en specifik önskad struktur.

Hennes procedur börjar med en vanlig form av kisel som kallas silan, som kemiskt reagerar med vatten för att bilda en aerogel. Under den reaktionen, små kärnbildningsställen uppstår där partiklar börjar bildas. Hur snabbt de bygger upp avgör slutstrukturen. För att kontrollera reaktionen, hon lägger till en katalysator, ammoniak. Genom att noggrant välja förhållandet mellan ammoniak och silan, hon får kiseldioxidpartiklarna att växa snabbt till en början och slutar sedan plötsligt att växa när prekursormaterialen är borta – ett sätt att producera partiklar som är små och enhetliga. Hon tillsätter också ett lösningsmedel, metanol, för att späda ut blandningen och kontrollera tätheten av kärnbildningsställena, alltså porerna mellan partiklarna.

Reaktionen mellan silanen och vattnet bildar en gel som innehåller en fast nanostruktur med inre porer fyllda med lösningsmedlet. För att torka den våta gelén, Strobach behöver få ut lösningsmedlet ur porerna och ersätta det med luft - utan att krossa den ömtåliga strukturen. Hon lägger in aerogelen i tryckkammaren på en kritisk punkttork och svämmar över flytande CO ₂ in i kammaren. Den flytande CO ₂ spolar ut lösningsmedlet och tar sin plats inuti porerna. Hon höjer sedan långsamt temperaturen och trycket inuti kammaren tills den flytande CO ₂ förvandlas till sitt superkritiska tillstånd, där vätske- och gasfasen inte längre kan skiljas åt. Långsamt ventilering av kammaren släpper ut CO ₂ och lämnar aerogelen bakom sig, nu fylld med luft. Hon utsätter sedan provet för 24 timmars glödgning - en standardvärmebehandlingsprocess - vilket minskar spridningen något utan att offra det starka värmeisolerande beteendet. Även med 24 timmars glödgning, hennes nya procedur förkortar den nödvändiga aerogelsyntestiden från flera veckor till mindre än fyra dagar.

Validera och använda modellen

För att validera modellen, Strobach tillverkade prover med noggrant kontrollerade tjocklekar, tätheter, och por- och partikelstorlekar - som bestämts av röntgenspridning med liten vinkel - och använde en standardspektrofotometer för att mäta den totala och diffusa transmittansen.

Uppgifterna bekräftade att, baserat på uppmätta fysikaliska egenskaper hos ett aerogelprov, modellen kan beräkna total ljustransmittans samt ett mått på klarhet som kallas dis, definieras som den del av den totala transmittansen som består av diffust ljus.

Övningen bekräftade förenklade antaganden som Zhao gjort vid utvecklingen av modellen. Också, den visade att strålningsegenskaperna är oberoende av provets geometri, så hans modell kan simulera ljustransport i aerogeler av vilken form som helst. Och det kan appliceras inte bara på aerogeler, men till alla porösa material.

Wang noterar vad hon anser vara den viktigaste insikten från modellerings- och experimentresultaten:"Sammantaget, vi fastställde att nyckeln till att få hög transparens och minimal dis – utan att minska värmeisoleringsförmågan – är att ha partiklar och porer som är riktigt små och enhetliga i storlek, " hon säger.

En analys visar den förändring i beteende som kan komma med en liten förändring i partikelstorlek. Många applikationer kräver att man använder en tjockare bit transparent aerogel för att bättre blockera värmeöverföringen. Men ökad tjocklek kan minska transparensen. Så länge partikelstorleken är liten, ökande tjocklek för att uppnå bättre värmeisolering kommer inte att avsevärt minska den totala transmittansen eller öka grumligheten.

Jämför aerogeler från MIT och andra håll

Hur stor skillnad gör deras tillvägagångssätt? "Våra aerogeler är mer genomskinliga än glas eftersom de inte reflekterar – de har inte den där bländningspunkten där glaset fångar ljuset och reflekterar till dig, säger Strobach.

Till Lin, ett huvudsakligt bidrag från deras arbete är utvecklingen av allmänna riktlinjer för materialdesign, som visas i figur 4 i bildspelet ovan. Med hjälp av en sådan "designkarta, " användare kan skräddarsy en aerogel för en viss applikation. Baserat på konturplotterna, de kan bestämma kombinationerna av kontrollerbara aerogelegenskaper – nämligen, densitet och partikelstorlek – behövs för att uppnå ett målriktat dis- och transmittansresultat för många applikationer.

Aerogeler i solfångare

Forskarna har redan visat värdet av deras nya aerogeler för solenergiomvandlingssystem, som omvandlar solljus till termisk energi genom att absorbera strålning och omvandla den till värme. Nuvarande solvärmesystem kan producera termisk energi vid så kallade mellantemperaturer – mellan 120 och 220 grader Celsius – som kan användas för vatten och rumsuppvärmning, ånggenerering, industriella processer, och mer. Verkligen, under 2016, USA:s förbrukning av termisk energi översteg den totala elproduktionen från alla förnybara källor.

Dock, toppmoderna solvärmesystem är beroende av dyra optiska system för att koncentrera det inkommande solljuset, specialdesignade ytor för att absorbera strålning och behålla värme, och dyra och svåra att underhålla vakuumkapslingar för att förhindra att värmen strömmar ut. Hittills, kostnaderna för dessa komponenter är begränsade på marknaden.

Zhao och hans kollegor trodde att användningen av ett transparent aerogellager kunde lösa dessa problem. Placerad ovanför absorbatorn, den skulle kunna släppa igenom infallande solstrålning och sedan hindra värmen från att komma ut. Så det skulle i huvudsak replikera den naturliga växthuseffekten som orsakar global uppvärmning - men i extrem grad, i liten skala, och med ett positivt resultat.

För att prova det, forskarna designade en aerogelbaserad solvärmemottagare. Enheten består av en nästan "blackbody"-absorbent (en tunn kopparplåt belagd med svart färg som absorberar all strålningsenergi som faller på den), och ovanför den en hög med optimerade, lågspridande kiseldioxidaerogelblock, som effektivt överför solljus och undertrycker ledning, konvektion, och strålningsvärmeförluster samtidigt. Aerogelens nanostruktur är skräddarsydd för att maximera dess optiska transparens samtidigt som den bibehåller sin ultralåga värmeledningsförmåga. Med aerogelen närvarande, det finns inget behov av dyr optik, ytor, eller vakuumkapslingar.

Efter omfattande laboratorietester av enheten, forskarna bestämde sig för att testa det "på fältet" - i det här fallet, på taket av en MIT-byggnad. En solig dag på vintern, de ställer in sin enhet, fixera mottagaren mot söder och lutas 60 grader från horisontellt för att maximera solexponeringen. De övervakade sedan dess prestanda mellan 11.00 och 13.00. Trots den kalla omgivningstemperaturen (mindre än 1 grad C) och förekomsten av moln på eftermiddagen, absorbatorns temperatur började öka direkt och stabiliserades så småningom över 220 C.

Till Zhao, prestandan som redan demonstrerats av den artificiella växthuseffekten öppnar upp för vad han kallar "en spännande väg för att främja solvärmeenergianvändning." Redan, han och hans kollegor har visat att det kan omvandla vatten till ånga som är högre än 120 C. I samarbete med forskare vid Indian Institute of Technology Bombay, de undersöker nu möjliga process steam-applikationer i Indien och utför fälttester av en låg kostnad, helt passiv solcellsautoklav för sterilisering av medicinsk utrustning på landsbygden.

Windows och mer

Strobach har sökt en annan lovande applikation för den genomskinliga aerogelen - i fönster. "När jag försöker göra mer transparenta aerogeler, vi träffade en regim i vår tillverkningsprocess där vi kunde göra saker mindre, men det resulterade inte i någon betydande förändring av transparensen, " säger hon. "Men det gjorde en betydande förändring i tydlighet, "en nyckelfunktion för ett fönster.

Tillgången till en prisvärd, värmeisolerande fönster skulle ha flera effekter, säger Strobach. Varje vinter, fönster i USA förlorar tillräckligt med energi för att driva över 50 miljoner hem. Den slöseri med energi kostar ekonomin mer än 32 miljarder dollar per år och genererar cirka 350 miljoner ton koldioxid ₂ — Mer än vad 76 miljoner bilar släpper ut. Konsumenter kan välja högeffektiva fönster med tre fönster, men de är så dyra att de inte används ofta.

Analyser av Strobach och hennes kollegor visade att lösningen kunde vara att ersätta luftgapet i ett konventionellt dubbelglasfönster med en aerogelruta. Resultatet kan bli ett dubbelglasfönster som är 40 procent mer isolerande än traditionella och 85 procent lika isolerande som dagens treglasfönster — till mindre än halva priset. Ännu bättre, tekniken kunde anammas snabbt. Aerogel-rutan är designad för att passa in i den nuvarande tillverkningsprocessen med två glas som finns överallt i branschen, så det kunde tillverkas till låg kostnad på befintliga produktionslinjer med endast mindre ändringar.

Guidad av Zhaos modell, forskarna fortsätter att förbättra prestandan hos sina aerogeler, med särskilt fokus på att öka tydligheten med bibehållen transparens och värmeisolering. Dessutom, de överväger andra traditionella lågkostnadssystem som – som solvärme och fönsterteknik – skulle dra nytta av att glida in en optimerad aerogel för att skapa en högpresterande värmebarriär som släpper in rikligt med solljus.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.