Sådan fungerer Aerogels

Airgel, et materiale skabt på et væddemål mellem to forskere i slutningen af ​​1920'erne, kan være det mest unikke stof på jorden. Det er det letteste, der findes - Guinness World Records sagde endda det - men det kan understøtte 500 til 4, 000 gange sin egen vægt (afhængigt af hvem du spørger) [kilde:NASA JPL, Guiness; Steiner, Ingen tyngdekraft]. En kubikcentimeter airgel kunne spredes ud for at dække en hel fodboldbane. Det er åndbart og brandsikkert, og det absorberer både olie og vand. Airgel er også fantastisk stærk, i betragtning af dens vægt. Aerogels kan være gode elektriske ledere, men når de er lavet af forskellige materialer, de er også en af ​​de bedste isolatorer nogensinde kendt [kilde:Steiner, Ingen tyngdekraft]. Så hvorfor har aerogels ikke den A-liste navnegenkendelse, de fortjener?

Desværre, at producere et så unikt produkt tager ekstraordinær mængde tid og penge, dels fordi der kun laves en meget lille mængde aerogel i hvert parti. Selvom at producere mere aerogel ad gangen ville bringe prisen ned, processen og materialer alene kommer med en høj pris på omkring $ 1,00 pr. kubikcentimeter. For omkring $ 23, 000 pr pund, airgel er i øjeblikket dyrere end guld [kilde:NASA JPL, Ofte stillede spørgsmål]!

Et sådant værdifuldt produkt ser ud til at høre til ved siden af ​​diamanterne og perlerne i en arvinges smykkeskrin. Men airgel er mere tilbøjelig til at blive isoleret af en raket eller fortykkelse af maling end at pryde velhavende socialitter. Selvom aerogeler måske ikke er så glamourøse som guld, de udfører deres opgaver uden peer.

I denne artikel, vi vil undersøge, hvad der gør aerogeler unikke, fra deres opdagelse i Californien i slutningen af ​​1920'erne, til deres rejse for at indsamle rumstøv i 1999. Vi får også at se, hvad fremtiden bringer for aerogeler, og om der virkelig er en måde at gøre dem mere omkostningseffektive for offentligheden. Endelig, vi viser dig, hvordan du kan lave din egen aerogel - overraskende nok, det kan lade sig gøre.

Læs videre for at lære mere om, hvordan airgel første gang så ud, og hvordan dette tilpasningsdygtige stof fremstilles.

1. Airgel Historie
2. Typer af Aerogels
3. Aerogels in Space
4. Daglige Airgel -anvendelser
5. Aerogels fremtid

Airgel Historie

Legenden om aerogelen er indhyllet i mystik. Det, vi ved, er, at i slutningen af ​​1920'erne Den amerikanske kemiprofessor Samuel Kistler satsede med kollega Charles Learned. Kistler mente, hvad der gjorde et objekt til en gel ikke var dets flydende egenskaber, men dets struktur:specifikt sit netværk af små, mikroskopiske porer kendt som nanoporer. Forsøg på at bevise dette ved blot at fordampe væsken førte til, at gelen tømmede som en soufflé. Så, formålet med spillet var at være den første til at erstatte væsken i "geléer" med gas, men uden at forårsage skade på strukturen [kilde:Steiner, Ingen tyngdekraft].

Efter megen prøvelse og fejl, Kistler var den første til med succes at erstatte gelens væske med en gas, skabe et stof, der strukturelt var en gel, men uden væske. I 1931 offentliggjorde han sine resultater i en artikel kaldet "Coherent Expanded Aerogels and Jellies" i det videnskabelige tidsskrift Nature [kilde:Ayers, Pioner].

Airgel begynder som en gel, hedder alkogel . Alcogel er en silicagel med alkohol inde i porerne. Blot fordampning af alkoholen ud af silica -strukturen ville få strukturen til at trække sig sammen, meget ligesom en våd svamp vil deformere, når den efterlades på en tæller til tørring. I stedet for kun at stole på fordampning, gelen skal være superkritisk tørret. Her er hvad der skal til:

1. Tryk og varm gelen forbi dens kritiske punkt - det punkt, hvor der ikke er nogen forskel mellem gas og væske.
2. Sænk gelen uden tryk, mens den stadig er over sin kritiske temperatur. Når trykket falder, molekyler frigives som en gas, og væsken vokser mindre tæt.
3. Fjern gelen fra din varmekilde. Efter at strukturen er afkølet, der er for lidt alkohol til at kondensere tilbage til væske, så det går tilbage til en gas.
4. Tjek dit endelige produkt. Det, der er tilbage, er et massivt fremstillet af silica, men nu fyldt med gas (luft), hvor der engang var væske.

Superkritisk tørring er, hvordan den flydende "alko" del af alkogelen bliver til en gas inden for silica's nanoporer, uden at strukturen falder sammen. Alcogelen med sin alkohol fjernet kaldes nu aerogel, da alkoholen er blevet erstattet af luft. Med kun 50 til 99 procent af det originale materiales volumen, airgel er et lys, fleksibelt og nyttigt materiale [kilde:Steiner, Ingen tyngdekraft].

Fortsæt til næste side for at lære om de mest almindelige typer aerogeler, der bruges i dag.

Typer af Aerogels

De tre mest almindelige typer aerogeler er silica, kulstof- og metaloxider, men det er silica, der oftest bruges eksperimentelt og i praktiske applikationer. Når folk taler om aerogeler, chancerne er, at de taler om silica -typen [kilde:Aerogel.org, Silica]. Silica må ikke forveksles med silicium, som er en halvleder, der bruges i mikrochips. Silica er et glasagtigt materiale, der ofte bruges til isolering.

I modsætning til de røgblå silica aerogeler, kulstofbaserede er sorte og føles som kul at røre ved. Hvad de mangler i udseende, de gør op med et højt overfladeareal og elektrisk ledende kapacitet. Disse egenskaber gør carbon aerogeler nyttige til superkapacitorer, brændselsceller og afsaltningssystemer [kilde:Aerogel.org, Økologisk].

Metaloxid -aerogeler er fremstillet af metaloxider og bruges som katalysatorer til kemiske transformationer. De bruges også til fremstilling af sprængstof og kulnanorør, og disse aerogeler kan endda være magnetiske. Det, der adskiller metaloxid -aerogeler som jernoxid og chromia fra deres mere almindelige fætre med silica, er deres spektakulære lysende farver. Når den laves til en aerogel, jernoxid giver en aerogel i sin varemærke rustfarve. Chromia aerogels fremstår dyb grøn eller blå. Hver type metaloxid resulterer i en aerogel med en lidt anden farve. [kilde:Aerogel.org, Metal].

Silica aerogels - de mest almindelige aerogels - er blå af samme årsag, at himlen er blå. Den blå farve opstår, når hvidt lys støder på aerogelens silica -molekyler, som er større end lysets bølgelængder. Aerogelen spreder, eller afspejler, de kortere lysbølgelængder lettere end de længere. Fordi blåt og violet lys har de korteste bølgelængder, de spreder mere end andre farver i det synlige spektrum. Vi ser spredte bølgelængder som farve, og da vores øjne er mere følsomme over for blå bølgelængder, vi ser aldrig de violette [kilde:Steiner, Ingen tyngdekraft].

Læs videre for at lære mere om aerogels applikationer i rummet.

Alcogels har deres porer fyldt med alkohol, men hvad nu hvis du brugte vand i stedet? I sine første forsøg, Kistler brugt hydrogeler , som indeholdt vand. Ved tørring, disse geler opfører sig meget som Jell-O gør. De går i stykker, rodet klat, fordi væsken i hydrogel fordamper for hurtigt til, at stoffet kan bevare sin form. Med hvert molekyle, der siver ud, andre forsøger at udfylde hullerne. Dette forårsager det, man kender som kapillær stress inden i gelens porer, får hele strukturen til at kollapse [kilde:Hunt og Ayers, Historie].

Aerogels in Space

Aerogels alsidighed har gjort det meget vigtigt både på Jorden og i rummet. Det har opfyldt en række roller på flere NASA -missioner, fra at isolere Mars -rovernes elektriske udstyr til at fange rumstøv fra en hastende komet.

Kometer er primitive objekter, der dateres tilbage til solsystemets fødsel. Når de flyver gennem rummet, de afgiver partikler kaldet rumstøv. Dette rumstøv er meget eftertragtet af forskere, der håber, at det vil lære os, hvordan vores verden begyndte.

På en mission om at fange kometprøver og rumstøv i 1999, NASA lancerede et rumfartøj, der tilbagelagde 4,8 milliarder kilometer (svarende til 6, 000 ture til månen) for at nå kometen Vild 2. Når du er der, den tennisracketformede støvsamler åbnede sig og brugte sine 260 aerogelterninger til at fange de hurtige partikler af interstellært støv og bevare dem i deres naturlige tilstand [kilde:NASA JPL, Airgel]. Hvad mere er, som partikler bombarderede støvopsamleren, de forlod stier inden for samlerens aerogelterninger, mens de bremsede til et stop. Disse stier gjorde det muligt for forskere lettere at finde de små partikler fra rummet.

Da rumfartøjet kom hjem i 2006, det bragte de første prøver tilbage til jorden fra rummet i mere end 30 år. Aerogels holdbarhed tillod støvopsamleren at vende tilbage fra rummet intakt uden at mangle en eneste aerogelflise. Forskere har været i stand til at studere støv og krystaller i aerogelen og afvente den indsigt, de kan bringe [kilde:broer].

Næste, vi lærer om nogle af aerogels kommercielle applikationer.

Daglige Airgel -anvendelser

I deres tidligste dage, aerogeler blev markedsført som fortykningsmidler og brugt i alt fra makeup og maling til napalm. De blev også brugt som cigaretfiltre og isolering til frysere. Monsanto var det første selskab, der markedsførte aerogels kommercielle applikationer. Imidlertid, Kistlers superkritiske tørremetode, selvom det er effektivt, var også farlig, tidskrævende og dyrt. Efter 30 års produktion, alle disse faktorer fik Monsanto til at stoppe sit fokus på aerogeler i 1970'erne.

Imidlertid, dette var ikke slutningen på airgel. Ikke længe efter at den blev forladt af Monsanto, forskere udviklede en proces, der gjorde produktionen af ​​aerogeler mindre giftige ved at bruge en sikrere alkoxidforbindelse. De gjorde det også mindre farligt ved at erstatte superkritisk alkohol med superkritisk kuldioxid i tørringsprocessen. Disse udviklinger reducerede den tid, der bruges på at tørre aerogelerne, og reducerede den farlige og brændbare karakter af deres produktion. Sådanne fremskridt gjorde airgel lidt mere kommercielt levedygtig igen, og forskere blev fascineret af produktets muligheder. [kilde:Hunt og Ayers, Historie]

Da aerogels produktion blev gjort mindre kompliceret og farlig, dets unikke egenskaber har gjort airgel populær blandt en række industrier. Siliciumproducenter, hjemmebygningsmaterialer producenter og rumagenturer har alle taget airgel i brug. Dens popularitet er kun blevet forhindret af omkostninger, selvom der er et stigende succes for at skabe aerogeler, der er omkostningseffektive. I mellemtiden, aerogels findes i en række produkter:

• Våddragter
• Brandmanddragter
• Ovenlysvinduer
• Windows
• Raketter
• Malinger
• Kosmetik
• Atom våben

[kilde:Aerogel.org, Moderne historie]

På grund af aerogels unikke struktur, dets anvendelse som isolator en no-brainer. De superisolerende luftlommer med aerogelens struktur modvirker næsten helt de tre metoder til varmeoverførsel:konvektion, ledning og stråling [kilde:Cabot Corporation]. Selvom airgel stadig er ret dyrt, den gode nyhed er, at undersøgelser har vist, at aerogelisolering, der bruges i vægindramning og svært at isolere områder som vinduesblink, kan spare en husejer op til $ 750 om året. Ud over at hjælpe husejere med at spare penge, aerogelisolering kan reducere dit CO2 -fodaftryk betydeligt. [kilde:Aspen Aerogels, Nyt Spaceloft]. Virksomheder kører efter en måde at bringe omkostningerne ned på, men for nu, aerogels er mere overkommelige for NASA end offentligheden. Stadig, aerogeler tages i brug af byggefirmaer, kraftværker og raffinaderier. Måske når det er mere overkommeligt, airgel vil opnå denne status på A-listen.

Fra jorden til rummet, aerogels har utvivlsomt en plads i vores fremtid. Læs videre for at lære om de seneste fremskridt inden for airgel, og hvordan du, også, kan eksperimentere med airgel.

Aerogels fremtid

Selvom airgel er dyrt, forskere eksperimenterer stadig med måder at gøre det stærkere på, billigere og mindre farligt. For eksempel, Professor Nicholas Leventis fra Missouri University of Science and Technology overraskede videnskabens verden i 2002 med meddelelsen om, at han havde udviklet en metode til fremstilling af ikke-sprøde aerogeler. Leventis aerogels, kendt som x-aerogels , er ikke kun stærkere; de er også mere fleksible, vandtæt og slagfast. Bagsiden er, at produktionen af ​​x-aerogel kræver mere farlige kemikalier og tager mere tid; disse kemikalier nedsætter også dets isoleringsevne [kilde:Aerogel.org, Stærk]. På trods af nogle negative ting, x-aerogels har følgende mulige anvendelser:

• Isolerende ovenlysvinduer
• Rustning
• Ikke-dækbare (eller "run-flat") dæk
• Membraner til elektrokemiske celler
• Flykonstruktionskomponenter
• Varmeskjolde til genindførsel af rumfartøjer

[kilde:Leventis]

Derudover aerogels kunne hjælpe med at skubbe til mere "grøn" teknologi. Carbon airgel rummer et stort potentiale for superkapacitorer og brændselsceller til energieffektive biler. Faktisk, energilagringskapaciteten af ​​carbon -aerogel kan medføre en lang række nye teknologier, men kun hvis aerogels produktionspris bliver mere overkommelig for store operationer.

Den gode nyhed er, at du ikke behøver at være en velfinansieret forsker for at eksperimentere med at lave nye aerogeler. Vil du lave din egen airgel? Selvom det er muligt at gøre dette derhjemme, det gøres bedst i et laboratorium, der indeholder alle de nødvendige materialer, herunder en autoklav til superkritisk tørring af din aerogel. (Hvis du føler dig super produktiv, her er instruktioner om, hvordan du laver din egen superkritiske tørretumbler.) Spørg omkring dit lokale universitet eller community college; chancerne er, hvis du fortæller dem, at du har en opskrift, du vil arbejde med, de lader dig muligvis bruge deres udstyr [kilde:Hunt og Ayers, Fremstilling; Aerogel.org, Byg].

Flere websteder giver instruktioner i, hvordan man laver aerogeler, herunder aerogel.org og denne fra University of California. Uanset hvor du laver din aerogel, sikkerhedsforanstaltninger er et must. Brug beskyttelsesbriller, handsker (den bedste slags er opvaskemaskiner), lange bukser, lukkede sko og en malermaske for at beskytte dig selv mod farlige dampe og brandfarlige materialer. [kilde:Steiner, Hvordan laver man; Hunt og Ayers, Fremstilling]

Aerogels - er der noget, de ikke kan gøre? Forhåbentlig vil offentligheden være på fornavn med dem i den nærmeste fremtid. For mere information om aerogeler og relaterede emner, tjek linkene på den næste side.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Aerogels til redning
• DIY - Lav din egen Airgel
• Er isolering farlig?

Flere store links

• Aerogel.org
• Airgel:Stardusts "Butterfly Net"
• Aspen Aerogels
• Fremstilling af Silica Aerogels

Kilder

• Aerogel.org. "Byg en superkritisk tørretumbler." (13. juli kl. 2010) http://www.aerogel.org/?cat=33
• Aerogel.org. "Metaloxid Aerogels." (14. juli kl. 2010) http://www.aerogel.org/?cat=44
• Aerogel.org. "Organiske og carbon aerogeler." (13. juli kl. 2010) http://www.aerogel.org/?p=71
• Aerogel.org. "Silica Airgel." (13. juli kl. 2010) http://www.aerogel.org/?p=16
• Aerogel.org. "Stærk og fleksibel Aerogels." (13. juli kl. 2010) http://www.aerogel.org/?p=1058
• Aerogel.org. "Superkritisk tørring." (13. juli kl. 2010) http://www.aerogel.org/?p=345
• Aerogel.org. "Airgelens moderne historie." (13. juli kl. 2010) http://www.aerogel.org/?cat=46
• Aspen Aerogels. "Ny Spaceloft® Insul-Cap (TM) fra Aspen Aerogels forbedrer termisk effektivitet af vægrammer." 18. september kl. 2007. (13. juli, 2010) http://news.thomasnet.com/fullstory/Aerogel-Insulation-Product-is-based-on-nanotechnology-804777
• Aspen Aerogels. "Termiske egenskaber." (13. juli kl. 2010). http://www.aerogel.com/features/termal.html
• Ayers, Michael. "Den enigmatiske opdagelse af vores yndlingsmateriale." De tidlige dage med Airgel . Kan, 2000. (13. juli, 2010) http://www.aerogel.org/?p=416
• Ayers, Michael. "Pioneren:Samuel Kistler." Kan, 2000. (13. juli, 2010) http://eetd.lbl.gov/ECS/Aerogels/kistler-elevated.html
• Broer, Andrew. "Airgel:Stardusts 'Butterfly Net.'" 19. februar, 2000. (14. juli, 2010) http://www.space.com/businesstechnology/technology/stardust_aerogel_000219.html
• Cabot Corporation. "Nanogel Airgel:Oprettelse af det, der betyder noget." (14. juli kl. 2010) http://www.cabot-corp.com/Aerogel
• Jage, Arlon og Michael Ayers. "Silica Aerogels historie." (13. juli kl. 2010) http://eetd.lbl.gov/ecs/aerogels/aerogels.htm
• Jage, Arlon og Michael Ayers. "Fremstilling af Silica Aerogels." (13. juli kl. 2010) http://eetd.lbl.gov/ECS/aerogels/sa-making.html
• Leventis, Nicholas. "Mekanisk stærk, Letvægts porøse materialer udviklet (X-Aerogels). "NASA Glenn Research Center. 20. juli, 2005. (13. juli, 2010) http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/2004/RM/RM11P-leventis.html
• NASA Jet Propulsion Laboratory. "Airgel." 31. marts 2005. (13. juli, 2010) http://stardust.jpl.nasa.gov/tech/aerogel.html
• NASA Jet Propulsion Laboratory. "Ofte stillede spørgsmål:Ofte stillede spørgsmål og Gee Whiz -fakta." 29. september kl. 2005. (13. juli, 2010) http://stardust.jpl.nasa.gov/overview/faq.html#aerogel
• NASA Jet Propulsion Laboratory. "Guinness Records navngiver JPL's Airgel World's Lightest Solid." 7. maj kl. 2002. (13. juli, 2010) http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=8270
• Steiner, Stephen. "Sådan laver du Silica Airgel:Del 1." Oktober, 2009. (14. juli, 2010) http://www.aerogel.org/wp-content/uploads/2009/10/how_to_make_silica_aerogel_part_1_64_kbps.mp3
• Steiner, Stephen. "Zero-Gravity Airgel Formation:Forskning i dannelsen af ​​Airgel i vægtløshed." (13. juli kl. 2010). http://homepages.cae.wisc.edu/~aerogel/aboutaerogel.html
• Wray, Rachel. "Airgel:fremvoksende miljøvenlig isolering." Re-nest:Rigeligt design til grønne hjem. 17. marts 2010. (13. juli, 2010) http://www.re-nest.com/re-nest/green-architect/aerogel-emerging-ecofriendly-insulation-green-architect-111377