وبلاگ
ایروژل ها
ایروژل ها مواد مصنوعی، متخلخل و فوق سبک جامد هستند که از یک ژل مشتق شدهاند و شامل شبکهای از نانوساختارهای به هم پیوسته میباشند. ایروژل ها گروهی استثنایی از مواد نانومتخلخل با مجموعهای منحصر به فرد از خواص هستند. آنها توسط اس. کیستلر، در اوایل دهه 1930 اختراع شدند.
ایروژل ها شبکه کلوئیدی یا پلیمری باز و غیرسیالی هستند و از ذرات یا الیاف با پیوند سست تشکیل می شوند که توسط یک گاز در کل حجم آن گسترش مییابند. و بنابراین چگالی بسیار کم و سطح ویژه بالایی نشان میدهند. ایروژل ها معمولاً با حذف تمام عوامل تورم از یک ژل اولیه بدون کاهش حجم قابل توجه یا فشردگی شبکه تشکیل میشوند. ایروژل ها به دلیل چگالی بسیار پایین خود (از 0.00016 تا 0.500 گرم بر سانتیمتر مکعب) به عنوان سبکترین مواد جامد (با کمترین چگالی)، در نظر گرفته میشوند.
انواع ایروژل
این مواد شامل ایروژلهای اکسید فلزی (مانند SiO2، TiO2، Al2O3، ZrO2)، ایروژلهای پلیمری، ایروژلهای مبتنی بر کربن (از منابع مختلفی مانند پلیمرها، نانولولهها، گرافن)، فلزات واسطه، ایروژلهای کالکوژنید نیمههادی (مانند CdS، CdSe، PbTe) و ایروژلهای پلیساکارید یا پروتئینی هستند.
ایروژلها معمولاً به شکل مونولیتهای استوانهای تولید میشوند. با این حال، آنها همچنین میتوانند در اندازهها و اشکال مختلف (پودر، کره، گرانول، مهره، میکروذرات، ورق، لوله، غشا و پوشش) پردازش شوند.
ایروژل کربنی
ایروژلهای کربنی برای اولین بار توسط پکالا و همکارانش از مواد آلی به روش سلژل تهیه شدند. ایروژلهای مبتنی بر کربن تقریباً خواص مشابهی با سایر انواع ایروژلها دارند، اما از نظر الکتریکی نیز رسانا هستند و رسانایی وابسته به چگالی دارند. بر اساس تخلخل بالا و خواص الکتریکی منحصر به فرد، ایروژلهای مبتنی بر کربن عمدتاً برای کاربردهای صنعتی مانند نمکزدایی، جمعآوری انرژی خورشیدی، و پشتیبانی کاتالیزور کاربرد دارند.
ایروژل سیلیکا
در میان ایروژلها، ایروژل مبتنی بر سیلیس (SiO2) رایجترین و پرکاربردترین نوع ایروژل ها هستند. ایروژلهای سیلیس عملکرد عایق حرارتی بالایی دارند و معمولاً در طول موج مرئی از نظر نوری شفاف هستند.
به عنوان مثال، یک ایروژل سیلیکا تنها سه برابر سنگینتر از هوا است و با تخلیه هوا از منافذ آن میتوان حتی سبکتر نیز کرد. با این حال، یک ایروژل معمولی معمولاً چگالی 0.020 گرم بر سانتیمتر مکعب یا بالاتر، تقریباً 15 برابر سنگینتر از هوا می باشد. به دلیل چگالی بسیار پایین و اثرات مقیاس طولی فوقالعاده آنها که ناشی از نانوساختارهایشان است، ایروژل ها معمولاً خصوصیات قابل توجهی نسبت به شکل غیر ایروژلی مواد (مانند افزایش شدید مساحت سطح و فعالیتهای کاتالیزوری) از خود نشان میدهند.
کاربردها
ایروژلها معمولاً با حذف تمام عوامل تورم از یک ژل اولیه بدون کاهش حجم قابل توجه یا فشردگی شبکه تشکیل میشوند. چنین ویژگیهایی، ایروژلها را به موادی منحصر به فرد و جذاب برای کاربردهای متعدد مانند عایقهای حرارتی، پیزوالکتریکها، کاتالیز، ذخیرهسازی و تولید انرژی، ایمپلنتها و دستگاههای زیستپزشکی، پوششها و عایق های حرارتی و حسگرها تبدیل میکند.
روش ساخت
در واقع، اصطلاح ایروژل برای موادی که با استفاده از شیمی سل-ژل تولید میشوند، به کار می رود. و در آن بخش مایع ژل با گاز توسط یک فناوری خشک کردن مناسب جایگزین میشود. به این ترتیب، ساختاری تقریباً با همان حجم و شکل محلول اولیه به دست می آید. ماده جامد حاصل فوقالعاده سبک، متخلخل و در برخی موارد شفاف است و فضای خالی دارد. ژل مرطوب را میتوان با فناوری سل-ژل و از مونتاژ نانوذرات به صورت یک نانوساختار به هم پیوسته تهیه کرد، که در آن نانوذرات به خودی خود از پیشسازهای مولکولی با ماهیت آلی یا معدنی تهیه می شوند.
روش تهیه سل-ژل و فناوری خشک کردن پس از آن، یک نانوساختار متخلخل سهبعدی با خواص فیزیکی برجسته، مانند چگالی بسیار کم (0.003-0.5 گرم بر سانتیمتر مکعب)، مساحت سطح بسیار بالا (500-1200 متر مربع بر گرم) و تخلخل بالا (80-99.8٪)، با شیمی سطح قابل تنظیم و خواص حجمی تولید میکند. با هیبریداسیون، میتوان به تنوع بیشتری در ساختار ایروژل دست یافت. جدا از خواص ذاتی ایروژلها، هیبریداسیون خواص مکانیکی، ترشوندگی و عملکرد شیمیایی بهبود یافته و قابل تنظیمی را به ایروژلهای اولیه میدهد.
روش شناسایی
برای توصیف رسانایی حرارتی مواد نانوساختار،چندین تکنیک اندازهگیری وجود دارد. از جمله تکنیک فلش لیزر، تکنیکهای اندازهگیری حالت پایدار، تکنیکهای گذرا، و تکنیکهای میکروسکوپی مادون قرمز (IR). تکنیکهای میکروسکوپی IR برای ارزیابی رسانایی حرارتی مؤثر مواد تودهای وجود دارد. تکنیکهای پیشرفته میکروسکوپی IR برای اندازهگیری رسانایی حرارتی ایروژلهای مبتنی بر کربن نیز مورد استفاده قرار میگیرند.