Seine Dichte ist geringer als die von Luft, daher ist es ein magisches Mittel zum Warmhalten und Isolieren!

Im Laufe der Menschheitsgeschichte haben die Entdeckung und Erfindung neuer Materialien eine entscheidende Rolle bei der Förderung der menschlichen Zivilisation gespielt. Eine derzeit grobe Methode, die Menschheitsgeschichte einzuteilen, besteht darin, sie nach den Namen der Materialien zu unterteilen: Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit.

Seit Beginn des 20. Jahrhunderts hat die rasante Entwicklung der menschlichen Wissenschaft und Technologie zur Entstehung eines endlosen Stroms neuer Materialien geführt. Kürzlich wurden mit einem Material 15 „Weltrekorde“ aufgestellt. Seine herausragendsten Eigenschaften sind seine ultraleichte Leichtigkeit und Wärmeisolierung , weshalb es in verschiedenen Industriebereichen ein erstaunliches Anwendungspotenzial gezeigt hat. Bei diesem Material handelt es sich um Aerogel.

Ein Stück Silica-Aerogel (Bildquelle: Wikipedia)

Eine der wichtigsten Anwendungen von Aerogelen ist die Luft- und Raumfahrt. Als der Marsrover Zhurong 2021 auf dem Mars landete, wurde er einer Prüfung durch „Eis und Feuer“ unterzogen. Während der Landephase des Rovers stieg die Umgebungstemperatur aufgrund der vom Motor erzeugten Hitze auf über 1000 °C. Während der Patrouillenphase musste der Rover in einer Umgebungstemperatur von -130 °C arbeiten. Um den Marsrover in dieser extremen Umgebung zu schützen, haben die Forscher eine große Fläche aus Aerogelplatten auf seiner Oberfläche ausgelegt. Eine solch hervorragende Leistung lässt auch Aerogel-Materialien glänzen.

Aerogel, der leichteste Feststoff

Aerogel ist ein fester Werkstoff mit sehr geringer Dichte. Aufgrund seiner geringen Dichte ist es auch als „gefrorener Rauch“, „feste Luft“, „blauer Rauch“ usw. bekannt. Es handelt sich um ein Gel mit poröser Struktur im Nanomaßstab, dessen Poren mit Gas gefüllt sind. Es zeichnet sich durch eine extrem geringe Dichte, hohe Transparenz und hervorragende Wärmedämmleistung aus.

Wie wird Aerogel hergestellt? Um es zu erhalten, müssen Sie zunächst ein feuchtes Gel zubereiten (das Gelee, das wir als Kinder so gerne gegessen haben, ist ein gängiges feuchtes Gel), dann das gesamte Lösungsmittel darin extrahieren und dabei darauf achten, dass sich seine Form nicht verändert, und schon erhalten Sie ein Aerogel. **Der schwierigste Teil ist natürlich, die Flüssigkeit zu entfernen und nur das feste Skelett übrig zu lassen.

Aerogel und Nassgel (Bildquelle: Autor)

Im Jahr 1931 verwendete Professor Kistler vom Pacific College in Kalifornien erstmals die Technologie der überkritischen Trocknung, um das erste Aerogel der Menschheitsgeschichte herzustellen. Der Schlüssel zu dieser Technologie liegt in den einzigartigen Eigenschaften überkritischer Flüssigkeiten. Wenn das Lösungsmittel bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck den kritischen Punkt zwischen Flüssigkeit und Gas erreicht, wird es zu einer überkritischen Flüssigkeit. Das Lösungsmittel im überkritischen Zustand weist keine erkennbare Oberflächenspannung auf, sodass das Gel während des Trocknungsprozesses eine intakte Skelettstruktur beibehalten kann.

Überkritische Trocknung ist ein technisches Mittel, um den gesamten Trocknungsprozess unter den kritischen Druck- und Temperaturbedingungen des Trocknungsmediums durchzuführen. Normalerweise wird das feuchte Gel zunächst in einen Hochdruckbehälter gegeben. Im überkritischen Zustand dringt die Mediumflüssigkeit (normalerweise Kohlendioxid) in das Innere des zu trocknenden Objekts ein, tauscht sich sanft und schnell mit den Lösungsmittelmolekülen aus, ersetzt das Lösungsmittel und ändert dann die Betriebsparameter, um die Flüssigkeit vom überkritischen Zustand in den gasförmigen Zustand zu überführen und sie aus dem getrockneten Rohmaterial freizusetzen. Da das Lösungsmittel keine Gas-Flüssigkeits-Phasentrennung aufweist, kann es die Gelporen sehr ungestört verlassen, ohne die Struktur des Gels zu zerstören, wodurch der Trocknungseffekt erzielt wird.

Aerogel hat eine dreidimensionale Netzwerkstruktur, ähnlich einem porösen Schwamm, mit dem Unterschied, dass die Poren eines Schwamms mit bloßem Auge sichtbar sind, während die Porenstruktur eines Aerogels Nanometergröße hat. Die Porosität der derzeit hergestellten Aerogele liegt im Allgemeinen zwischen 80 % und 99,8 %, und die typische Porengröße bewegt sich im Bereich von 50 nm. Es hat eine geringere Dichte als jede andere Substanz, sogar eine geringere Dichte als Luft im Vakuum. Wenn Sie das leichteste Aerogel auf eine blühende Blume auftragen, verbiegen sich die Staubblätter nicht.

Chinesischen Wissenschaftlern ist es vor Kurzem gelungen, ein reines Kohlenstoff-Aerogel mithilfe einer wässrigen Lösung aus Graphen und Kohlenstoffnanoröhren herzustellen. Es handelt sich derzeit um den Feststoff mit der weltweit geringsten Dichte. Die Dichte dieses Aerogels beträgt 0,16 mg/cm3, was nur 1/6 der Dichte von Luft entspricht. Aerogel verfügt zudem über eine dreidimensionale Nanoskelettstruktur und sorgt durch seine anisotropen dreidimensionalen Netzwerkverbindungen für eine hohe Elastizität. Dadurch kann es großem Druck standhalten, ohne Schaden zu nehmen.

Mikroskopische Charakterisierung verschiedener Aerogele (Bildquelle: Autor)

Wie isoliert Aerogel? Drei Waffen

Um zu verstehen, wie Aerogel isoliert, müssen wir zunächst einige Physikkenntnisse aus der Mittelstufe wiederholen: Wärmeübertragung. Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung: Konvektion, Strahlung und Leitung.

Thermische Konvektion tritt in Flüssigkeiten auf und ist ein Phänomen, bei dem heiße Partikel Wärmeenergie durch ein fließendes Medium von einem Ort im Raum zu einem anderen übertragen. Wärmestrahlung ist ein Phänomen, bei dem ein Objekt mit Temperatur elektromagnetische Wellen aussendet. Je höher die Temperatur, desto höher ist die Energie der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen; Bei der Wärmeleitung kollidieren Partikel in einem Objekt miteinander, wodurch Wärme von einem Bereich mit hoher Temperatur in einen Bereich mit niedriger Temperatur übertragen wird.

Drei Mechanismen der Wärmeübertragung Bildquelle: Wikipedia

Die Aerogel-Dämmung setzt bei diesen drei Aspekten an. Seine einzigartige Struktur ermöglicht es ihm, über die folgenden drei Isolations-„Waffen“ zu verfügen:

„Null-Konvektions“-Effekt : Bei der Wärmeleitung wird Energie hauptsächlich durch die kontinuierliche Kollision von Gasmolekülen übertragen. Wissenschaftlich gesehen wird die Bewegungsdistanz von Gasmolekülen ohne Kollision mit umgebenden Molekülen als molekulare freie Weglänge bezeichnet. Die durchschnittliche freie Weglänge der Luft beträgt 70 nm. Die durchschnittliche Porengröße im Aerogel beträgt etwa 20–50 nm und ist damit viel kleiner als die freie Weglänge der Luft. Daher ist die konvektive Wärmeübertragung sehr gering und die Wärmeleitung des Gases stark reduziert.

„Infinite Thermal Baffle“-Effekt : Die Porengröße von Aerogel liegt im Nanometerbereich. Obwohl viele Poren vorhanden sind, sind durch die versetzten Poren keine „Durchgangslöcher“ möglich. Die unendlichen Porenwände entsprechen Hitzeschilden, wodurch die durch Wärmestrahlung geleitete Wärme minimiert wird. In Kombination mit speziellen Anti-Strahlungsmaterialien kann es die Strahlungswärmeübertragung wirksamer blockieren.

„Unendlicher Pfad“-Effekt : Wärme kann nur entlang der Löcher übertragen werden. Durch die unendliche Anzahl an Löchern ist der Wärmeübertragungsweg unendlich lang, so dass die übertragene Wärme gegen ein Minimum tendiert. Wenn Aerogelmaterial zum Blockieren von Wärme verwendet wird, erschwert sein schlankes Skelett die Wärmeleitung erheblich, was so ist, als würde man die Wärme durch ein Labyrinth auf schmalen Pfaden in einem dreidimensionalen Netzwerk laufen lassen. und eine große Anzahl von Nanoporen sind wie separate Räume, die einzelne Gasmoleküle einschließen und so verhindern, dass die Gasmoleküle fließen oder miteinander in Kontakt kommen, wodurch die konvektive Wärmeübertragung verhindert wird.

Wenn Aerogel mit einer Flammenpistole erhitzt wird, schmelzen die darauf platzierten Buntstifte nicht, was die hervorragende Wärmedämmfähigkeit von Aerogel zeigt (Bildquelle: NASA)

Wofür kann Aerogel verwendet werden? Denken Sie einfach darüber nach!

Aerogel hat sich vom ursprünglichen SiO2-Aerogel zu einer riesigen Aerogel-Familie entwickelt. Aerogelmaterialien können entsprechend ihrer Bestandteile in Einkomponenten- und Mehrkomponenten-Aerogele unterteilt werden. Zu den Einkomponentengelen zählen Oxid-Aerogele, Carbid-Aerogele und andere Arten von Aerogelen, während sich Mehrkomponenten-Aerogele auf Aerogel-Verbundwerkstoffe beziehen, die aus zwei oder mehr Einkomponenten-Aerogelen bestehen oder durch Fasern, Whisker, Nanoröhren usw. verstärkt sind.

Aufgrund seiner kontinuierlichen dreidimensionalen Netzwerkstruktur weist Aerogel einzigartige thermische, mechanische, akustische, optische, elektrische und Adsorptionseigenschaften sowie weitere Eigenschaften auf und bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in zahlreichen Bereichen.

Am auffälligsten ist dabei der Bereich Luft- und Raumfahrt . Aufgrund seiner hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften wie hohe Porosität, große spezifische Oberfläche, geringe Dichte und gute Isolierleistung wurde es erfolgreich in der Raketenserie „Langer Marsch“, in Marsrovern und Raumanzügen eingesetzt.

(Bildquelle: Autor)

Kürzlich wurde im Top-Magazin „Science“ über den von einem Forscherteam der Zhejiang-Universität erfundenen „Eisbärpullover“ berichtet, der wärmer ist als Daunenjacken. Wissenschaftler simulierten die poröse Struktur des Eisbärhaars und bereiteten eine ultrawarme Kunstfaser vor, die Aerogel mithilfe von elastischen thermoplastischen Verbundmaterialien einkapselt. Dadurch wurde die Möglichkeit realisierbar, warmes Aerogel am Körper zu tragen.

Allerdings muss beachtet werden, dass mit dem Wintereinbruch viele Unternehmen ihre Kleidung auch als „Aerogel“ bezeichnen und damit behaupten, dass diese die Kälte abhält, die tatsächliche Wärmedämmung jedoch oft nicht so gut ist wie erwartet. Der Hauptgrund ist die inhärente Sprödigkeit von Aerogel. Aktuelle Kälteschutzkleidung aus „Aerogel“ enthält zwar immer noch einige Aerogelpartikel, die in den Stoff eingemischt sind, aber viele Lücken im Stoff leiten immer noch Wärme weiter, und die wärmende Wirkung bleibt weit hinter den Erwartungen zurück und ist sogar schlechter als bei gewöhnlichen Daunenjacken. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Problemen, beispielsweise ist das Material nicht in der Maschine waschbar und verliert in einer feuchten Umgebung leicht seine Wärmeisolationsfähigkeit. So wissen Sie, ob die aktuelle „Aerogel-Daunenjacke“ Geldverschwendung ist.

Darüber hinaus verfügt Aerogel hinsichtlich Adsorption und Trennung über eine starke Adsorptionskapazität, da seine innere Struktur der eines Schwamms ähnelt. „Carbon-Schwamm“ lässt sich beliebig formen und verfügt über eine hervorragende Elastizität. Es kann auch nach einer Komprimierung um 80 % noch seine ursprüngliche Form annehmen. Vollkohlenstoff-Aerogel kann bis zum 900-fachen seines Eigengewichts an Öl aufnehmen. Jedes Jahr gelangt eine große Menge an Rohölverschmutzung auf die Meeresoberfläche, die nicht bewältigt werden kann. Daher können daraus in Zukunft Werkzeuge zur Ölabsaugung hergestellt werden.

Darüber hinaus finden Aerogele auch in der Elektrizitäts- und Chemiebranche wichtige Anwendung . Die dreidimensionale Netzwerkstruktur poröser Kohlenstoff-Aerogele kann nicht nur hochleitfähige Kanäle für den Ladungstransport bilden, sondern auch als Gerüst für die Dotierung oder Beschichtung verschiedener organischer oder anorganischer Aktivmaterialien dienen. Bei der Verwendung als Katalysator-Festbett in der chemischen Produktion kann es die katalytische Reaktionsfläche erheblich vergrößern und dadurch die chemische Reaktionsrate steigern.

Schließlich werden Aerogele aufgrund ihrer hohen Porosität, Biokompatibilität und biologischen Abbaubarkeit häufig im medizinischen Bereich eingesetzt.

Anwendungsgebiete von Aerogel (Bildquelle: Autor)

Natürlich ist das Gebiet der Aerogele noch nicht ausgereift genug und es muss noch viel Forschungsarbeit geleistet werden. Beispielsweise sind die physikalischen und chemischen Veränderungen, die während des Alterungsprozesses (Behandlung der Flüssigkeitsverfestigung) im Gel auftreten, nicht klar, der Einfluss verschiedener Herstellungsparameter auf seine Eigenschaften muss weiter erforscht werden und die Plastizität ist nicht stark ausgeprägt. Aber ich glaube, dass dieses magische Material, Aerogel, in Zukunft eine gesündere, intelligentere, zuverlässigere und bessere Lebensumgebung für die Menschen schaffen wird.

Quellen:

[1] PIERRE AC, PAJONK GM. Chemie der Aerogele und ihre Anwendungen [J]. Chemical Reviews, 2002,102: 42434265.

[2] BLASZCZYNSKI T, SLOSARCZYK A, MORAWSKI M. Synthese von Silica-Aerogel durch überkritische Trocknungsmethode [J]. Procedia Engineer, 2013, 57: 200206.

[3] BAG S, KANATZIDIS MG. Chalkogele: poröse Metall-Chalkogenid-Netzwerke aus Hauptgruppenmetallionen. Einfluss der Oberflächenpolarisierbarkeit auf die Selektivität bei der Gastrennung [J]. Journal der American Chemical Society, 2010, 132: 1495114959

[4] Zhang Ting, Zhao Chunlin, et al., Forschungsfortschritt von Aerogelen, Advanced Ceramics, 1005-1198 (2018) 01-0001-39

Autor: Wang Zhen

Autoreinheit: Institut für Festkörperphysik, Hefei Institutes of Physical Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften

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