בשנת 1931 הפריד קיסטלר את הנוזל מהמוצק באמצעות טכניקת ייבוש סופר-קריטית אלכוהולית ושמר על המבנה של הגז שלא יתכווץ ויתמוטט, וכתוצאה מכך נוצר ג'ל אוויר בעולם.
הגדרה של Airgel
Airgel הוא חומר מוצק אמורפי ננו-נקבובי קל משקל עם מיקרו-חלקיקים בקנה מידה ננומטרי המצטברים זה בזה ליצירת מבנה רשת נקבובי בקנה מידה ננומטרי וממולא במספר רב של אמצעי פיזור גזים בשלד הרשת.
אירוג'לים הם לא רק חומר פונקציונלי, אלא גם מצב חדש של חומר. מצב האירוג'ל שונה מהותית ממצבים אחרים של חומר במאפיינים רבים. יש לו גודל וצורה קבועים כמו חומר מוצק, אך הצפיפות הנראית שלו יכולה לנוע בין מקסימום של 1 גרם/ס"מ³ ל-0.001 גרם\ס"מ³ (נמוכה מצפיפות האוויר); יחד עם זאת, יש לו מבנה נקבובי דמוי ספוג, עם מאפיינים מרובים של מאפיינים מיקרוסקופיים (שלד בקנה מידה ננו), מאקרוסקופי (חומר מעובה) ומזוסקופי (מבנה רב-מפלסי ומבנה פרקטלי), מה שהופך לאירוגלים לבעלי תכונות ייחודיות רבות. הוא מציג מוליכות תרמית נמוכה מאוד, מודול גמישות נמוך מאוד, קצב פונון נמוך מאוד, מקדם שבירה נמוך מאוד, קבוע דיאלקטרי נמוך, מהירות צליל נמוכה מאוד, שטח פנים ספציפי גבוה, צפיפות רחבה מאוד והתפלגות מקדם שבירה וכו'.
סיווג של אירוג'לים
ישנו מגוון רחב של אירוג'לים, המכסים כמעט את כל מערכות החומר. ככלל, על פי ההרכב הכימי, ניתן לחלקם לאירוגלים אורגניים, אירוג'לים אנאורגניים וארוג'לים מרוכבים וכו'. ניתן לסווג אירוג'לים גם למערכות סיליקון, פחמן, גופרית, תחמוצת מתכת ומתכת לפי מרכיביהם העיקריים.
הסטטוס והתפקיד של Aerogels
מדענים אומרים כי אירוג'לים ישנו את העולם.
Airgel היה רשום כאחד מ-10 גיליונות המדע והטכנולוגיה החמים ביותר בגיליון ה-250 של כתב העת האמריקאי Science. ב-20 באוגוסט 2007, ה"טיימס" דיווח כי איירג'ל הוא המוצק הקל ביותר בעולם שיכול לעמוד בעוצמת הנפץ של 1 ק"ג של דינמיט ולהרחיק אותך מחום של לפיד מעל 1300 מעלות צלזיוס. מדענים בוחנים את השימוש באווירג'ל בכל דבר, החל מחליפות חלל מבודדות במיוחד דרך קבלי-על ועד זרזים ועד לדור הבא של מחבטי טניס. Airgel מבטיחה להתחרות בדורות של חומרים אגדיים כמו שרף פנולי משנות ה-1930, סיבי פחמן משנות ה-1980 וסיליקון משנות ה-1990.
איירגל נרשם מספר פעמים בספר השיאים של גינס כמוצק הקל ביותר בעולם. ל-Airgel גם מוליכות תרמית ומקדם שבירה נמוכים מאוד והוא מבודד פי 39 מסיבי הזכוכית הטובים ביותר. Airgel שימש לבידוד תרמי של תחנת החלל הרוסית מיר ואת הרובר Mars Pathfinder האמריקאי, וכבר מילא תפקיד חיוני בתעשיית התעופה והחלל.
היסטוריה של פיתוח איירגל
1931, אירוג'לים הוכנו לראשונה על ידי קיסטלר באוניברסיטת סטנפורד, ארה"ב.
בשנת 1985, הסימפוזיון הראשון על אירוג'לים, המכונה ISA, אורגן על ידי המכון לפיזיקה באוניברסיטת וירצבורג, גרמניה.
1993, אירוג'לים משמשים לבידוד חליפות חלל, חלליות ומעבורות חלל.
2002, Aspen Aerogel, חברת נאס"א, הוקמה כדי לפתח ולייצר אירוג'לים.
2004, מחקר ג'ל אוויר שנערך על ידי מכוני מחקר סיניים מקומיים.
בשנת 2006, חברות אירוג'ל מקומיות בסין החלו לפתח אירוג'לים.
2017, סין הוכרזה, GB/T 34336-201, מוצרי בידוד מרוכבים לא נקבוביים
בשנת 2021, מועצת המדינה פרסמה, "תוכנית פעולה לפחמן שיגיע לשיא עד 2023" על האצת המחקר והפיתוח של סיבי פחמן, אירוג'ל, פלדה מיוחדת וחומרים בסיסיים אחרים.
מאפייני המפתח של Aerogels
(1) קל במיוחד. איירגל הוא המוצק הכי פחות צפוף בעולם, עם צפיפות מינימלית של שישית ממסת האוויר. טווח השונות בצפיפות הוא בדרך כלל 0.001~1g/cm³.
(2) נקבוביות גבוהה ושטח פנים ספציפי גבוה. הנקבוביות היא 80%~99.9%, שטח הפנים הספציפי הוא 200~1000m2/g, והגודל הטיפוסי של הנקבוביות הוא 1~100nm.
(3) בידוד תרמי סופר. מבנה הננו-רשת הדק של האירוג'ל מגביל למעשה את התפשטות עירור תרמית מקומית, והמוליכות התרמית של המצב המוצק שלו נמוכה ב-2~3 סדרי גודל מזו של החומר הזגוגי המקביל.
העיקרון של בידוד תרמי איירגל
העברה תרמית מופחתת: המספר האינסופי של ננו-חלקיקים באווירג'ל יוצר שלד רשת, וחום יכול לזרום רק לאורך מספר אינסופי של ננו-חלקיקים. זרימת החום יכולה להתנהל רק לאורך מספר אינסופי של ננו-חלקיקים, וכתוצאה מכך נתיב כמעט אינסופי של העברת חום במוצק. העברת החום במוצק מצטמצמת לרמה הנמוכה ביותר האפשרית.
עיכוב הסעה תרמית : גודל הנקבוביות הממוצע של אירוג'לים הוא 20-40 ננומטר, קטן יותר מטווח חופשי ממוצע של מולקולות גז של 69 ננומטר, ומולקולות הגז בנקבוביות מאבדות את יכולתן לנוע בחופשיות, מה שהופך את ההסעה לכמעט בלתי אפשרית.
קרינה תרמית מופחתת : דפנות הנקבוביות הנוצרות על ידי הננו-חלקיקים באארוג'לים הן מגני אינפרא אדום, ומספר המגנים האינסופי מפחית מאוד את הקרינה התרמית.
(4) קטליזה. גודל החלקיקים הקטן, שטח הפנים הספציפי הגבוה והצפיפות הנמוכה של איירגל הופכים את הפעילות והסלקטיביות של זרזי איירגל להרבה יותר גבוהים מזרזים קונבנציונליים, והרכיבים הפעילים יכולים להתפזר בצורה אחידה מאוד בנשא, ויש לו גם יציבות תרמית מעולה, שיכולה להפחית ביעילות את התרחשותן של תגובות לוואי.
(5) בידוד קול. תכונות מהירות הקול הנמוכות של אירוג'לים הופכות אותם לחומר אידיאלי עבור עיכוב אקוסטי או בידוד קול בטמפרטורה גבוהה. הטווח המשתנה של עכבה אקוסטית של איירגל הוא גדול [103 ~ 107 ק"ג/(㎡-s)], שהוא חומר צימוד התנגדות אקוסטית אידיאלי יותר עבור גלאים קוליים. ההתנגדות האקוסטית של קרמיקה פיזואלקטרית המשמשת עבור גנרטורים וגלאים אולטרסאונדים היא 1.5×107 kg/(㎡-s), בעוד שההתנגדות האקוסטית של האוויר היא רק 400kg/(㎡-s). שימוש באווירג'ל סיליקון בעובי של 1/4 אורך גל וצפיפות של כ-0.3g/cm³ כחומר צימוד ההתנגדות האקוסטי בין קרמיקה פיזואלקטרית לאוויר יכול להגביר את עוצמת הצליל ב-30dB, לשפר את יעילות השידור של גלים אקוסטיים ולהפחית את יחס האות לרעש ביישומי המכשיר.
(6) ביצועי סינון. אירוג'לים בעלי ננו-מבנה יכולים לשמש גם כסוג חדש של חומר סינון גז יעיל ביותר. בגלל שטח הפנים הספציפי הגדול במיוחד שלו, אירוג'לים מכונים על ידי מדענים "ספוגים על" והם אידיאליים לספיחת מזהמים במים, יניקת עופרת וכספית מהמים, מה שהופך אותם לחומר מצוין להתמודדות עם אסונות אקולוגיים.
(7) מאפיינים אופטיים. ג'ל אוויר SiO₂ טהור הוא שקוף וחסר צבע, ואינדקס השבירה שלו (1.006~1.06) קרוב מאוד לזה של אוויר, מה שאומר שלג'ל אוויר של SiO₂ אין כמעט אובדן השתקפות לאור חודר והוא יכול להעביר ביעילות את אור השמש. לכן, זה יכול לשמש לייצור בידוד זכוכית הפחתת רעש.
למידע נוסף או גיליון נתונים טכני וגיליון נתוני בטיחות חומרים, אנא צרו קשר באמצעות דוא"ל: [email protected] , או שלחו לנו התקשרות למספר: 86-28-8411-1861+.
חלק מהתמונות והטקסטים מועתקים מהאינטרנט, וזכויות היוצרים שייכות למחבר המקורי. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק.