エアロゲルは、極端な材料特性と非常に軽量の不思議な集合体を示す多様な種類の固体多孔性材料です。
ふわふわした白い雲の上で寝たり、固い空気のプールに飛び込んだりすることを夢見たことがありますか?エアロゲルは幻想的な羊毛によく似ています .しかし、それらは大きく異なります。現在のところ、エアロゲルは現存する中で最も軽い素材であり、信じられないほど頑丈で、さまざまな過酷な条件に対して信じられないほど耐性があります。
軽量な性質を表す、手の爪でバランスをとったエアロゲル (写真提供:NASA/ウィキメディア コモンズ)
「エアロゲル」は、綿やグラフェンなどの特定の素材や鉱物とみなすことはできず、特定の化学式を持っています。代わりに、彼らは多様なクラスです 特定の幾何学的構造を持つ材料のグループで構成される、極端な材料特性の驚異的な集合体を示す固体多孔性材料の、材料全体の分岐構造間の高度な結合を備えた非常に多孔性の固体フォーム。これらの結合は、数ナノメートルにまたがっていますが、信じられないほど強力で耐久性があります。驚いたことに、これらの「神秘的に華やかな」素材は、想像以上に長い歴史の中で存在していました。アメリカの化学教授であるサミュエル・キスラーは、1931 年に、多くの試行錯誤を経て発明に成功した後、この物質に関する最初の発見を発表しました。
エアロゲルの作り方
甘いゼラチン デザートのボウルを用意することを想像してみてください。エアロゲルの調製プロセスは、実際には非常に似ています。粉ゼラチンを熱湯で混ぜ、冷蔵庫で冷やします。あなたが得るものはジェルです .この時点では、エアロゲルと通常の食用ゼリーに違いはありません。この波状のゲルをオーブンに入れて水分をすべて除去すると、ゼリーは間違いなく粉末になります.これは、水分が蒸気として吸い上げられると、ゼリー状物質間の構造結合が内側に引っ張られ、ほこりだけが残るためです.
しかし、どうにかしてゲルの液体成分をすべて引き出すことができれば、固体の構造と形状を損なうことなく 、残っているのは、低密度で非常に多孔性の固体です。これがまさにエアロゲルの製造方法です。
では、固体を傷つけずに液体を引き出すにはどうすればよいでしょうか。これは、DIY エアロゲルのデモ ビデオです。
答え:超臨界乾燥
超臨界乾燥は、毛細管現象によって液体を引き出すことができる複雑な技術です。すべての純粋な物質 (分解しないもの) には 臨界点 があります .これは、液体状態と気相の区別がなくなる特定の圧力と温度です。この物質の相は超臨界流体と呼ばれます。
エアロゲルを作成するには、臨界点以下の液体 (主にシリカ) を含む密閉容器を用意します。このジャーは、上部に圧力計と温度を上げるための装置が装備されています。液体の蒸気圧と容器内の圧力が等しくなるまで、一定量の液体が容器内で蒸発します。ここで、容器を加熱すると、温度とともに蒸気圧が上昇するため、容器内の圧力が上昇します。この液体の臨界点が近づくと、タンク内の圧力が蒸気分子を十分に近づけて、蒸気が液体とほぼ同じ密度になるようにします。
同時に、容器内の温度が十分に高くなるため、液体中の分子の運動エネルギーが、分子を液体として保持する引力を押し流します。最終的に臨界点に達し、2 つのフェーズを分割するメニスカスがぼやけ、単一の超臨界フェーズが発生します。この段階では、流体の表面張力がゆっくりとゼロまで低下し、毛管応力も強制的に低下させます。
エアロゲル化
容器全体に存在する超臨界流体は、細孔がゲルで満たされています。このゲル内の液体は、プロセスを妨げる表面張力なしで除去できるようになりました。これは、部分的な減圧によって行われます 容器（臨界圧力以下ではない）。このステップの間、コンテナの温度も臨界温度以上に維持する必要があります。
目的は、流体がまだ超臨界状態である間に容器から十分な量の流体を取り除くことです。これにより、容器が流体の臨界点以下で完全に減圧されたときに、容器内に再凝縮する物質がまったく残らないようになります。十分な量の流体が除去されたら、容器をゆっくりと減圧し、冷却して周囲条件に戻します。これが起こると、容器に残った少量の液体が臨界点を通過します。気体状態に戻ります。ゲル内の残りの液体は完全に気体に変換され、毛管応力が発生することはありません。残ったのはエアロゲルです。
エアロゲルの種類
エアロゲルの 3 つの基本的なタイプは、シリカ、炭素、および金属酸化物です。これらの固体は、その独特の構造的および化学的特性により、現代の機器に幅広い用途が見出されています.
シリカは、マイクロチップや半導体で使用される物質であるシリコンと混同しないでください。 シリカ 断熱材として使われるガラス質の素材です。シリカ エアロゲルは、最も一般的に議論されているエアロゲルです。人々がエアロゲルについて話しているのを聞いたら、彼らがシリカ エアロゲルについて話している可能性が高いです。シリカの分子は、白色光の波長よりも大きいため、青色光を散乱させるため、半透明の青色が得られます。
ブンゼン バーナーの下でシリカ エアロゲルを加熱することによって実証された、エアロゲルの低い熱伝導率。 (写真提供:パブリック ドメイン/ウィキメディア コモンズ)
空色のシリカ エアロゲルとはまったく異なり、炭素ベースのエアロゲルは、木炭のようなテクスチャーを持つ灰色がかった黒色の色調を持っています。その魅力のない外観は、高い電気伝導特性によって補われています。何百万もの空隙と細孔により、これらのエアロゲルの吸収表面積が劇的に増加し、燃料電池、淡水化システム、およびスーパーキャパシタの重要な候補となっています。
金属酸化物エアロゲルは、名前が示すように、金属酸化物から作られています。実際、それらはより一般的なシリカエアロゲルの無機のいとこです。エアロゲルの各タイプには、独自の特性があります。これらのエアロゲルは、多くの異なる化学変換の触媒、爆発性マトリックス、およびカーボン ナノチューブ触媒などの他の材料の前例として非常に有用です。これらのエアロゲルは多くの場合非常にカラフルで、中には磁気を帯びているものさえあります.
エアロゲルの用途
熱伝導率が低く、非常に軽量であるため、建物の建設や電化製品の断熱材、ストレージ メディア、自動車や宇宙船、ソーラー デバイス、ソーラー ポンドに最適です。
エアロゲル ブランケットは、NASA のスペース シャトルの打ち上げに使用される極低温の水素燃料から重要なシステムを保護するために使用されます。 (写真提供:NASA)
多孔性が高く密度が低いため、触媒、機械センサー、燃料貯蔵、イオン交換、排気フィルター、顔料担体、テンプレートなどに使用されています。屈折率の低いやや半透明の固体であるため、ライトガイドとしても使用され、軽量光学に応用されます。
音響的に音を通さないため、防音室の壁の内張りや超音波距離センサーに使用されます。軽量で適度に伸縮性があるため、超高速粒子トラップのエネルギー吸収体として使用できます。表面積が大きく誘電率が低いエアロゲルは、絶縁耐力が高いため、IC やコンデンサの誘電体としてよく使用されます。
おわかりのように、このユニークなクラスの素材は、靴箱を湿気から守るだけではありません!
