Es ist wasser- und feuerunempfindlich und kann Kometenpartikel einfangen. Woher stammt dieses Material?

Aerogel ist der leichteste Feststoff der Welt (Graphen-Aerogel ist der leichteste Feststoff der Welt und wurde vom Guinnessbuch der Rekorde ausgezeichnet), da es zu 97 % aus Luft und zu 3 % aus Feststoffen besteht und somit nur die 1,5-fache Dichte von Luft aufweist.

Aerogele sind nicht nur sehr leicht, sondern verfügen auch über sehr gute Wärmedämmeigenschaften, die vor allem auf den sogenannten Knudsen-Effekt zurückzuführen sind. Da Aerogel hauptsächlich aus Kieselsäure und Luft besteht, ist die Wärmeleitfähigkeit von fester Kieselsäure durchschnittlich, während die Wärmeleitfähigkeit von Luft ebenfalls sehr gering ist.

Darüber hinaus verfügen Aerogele über zahlreiche Poren im Nanomaßstab, die es der Luft erschweren, durch das Aerogel zu diffundieren und so konvektive Wärme zu übertragen.

Daher kommen Aerogele häufig in Umgebungen zum Einsatz, die eine hohe Temperaturbeständigkeit erfordern. Beispielsweise werden Aerogele zur Wärmespeicherung auf dem Marsrover eingesetzt.

Darüber hinaus beruht die Wasserabweisung von Aerogel hauptsächlich auf der Modifizierung. Durch die Umwandlung des polaren Oberflächen-OH in das unpolare -OR kann ein hydrophobes Aerogel erhalten werden.

Ein solches „wasser- und feuerfestes“ Material scheint das neueste Produkt der modernen Technologie zu sein, tatsächlich ist Aerogel jedoch bereits in den 1930er Jahren aufgetaucht und wurde erstmals vom Chemiker Samuel Keesler hergestellt.

Die Geburt des ersten Aerogels

Gelartige Substanzen sind eigentlich weit verbreitet. Das Gelee, das wir essen, ist eine Gelsubstanz, die aus einer Kombination von Feststoffen und Flüssigkeiten besteht.

Es kam vor, dass Samuel und sein Kollege Charles Learned eine Wette mit Gelee abschlossen. Charles glaubte, dass der Grund, warum Gelee zu Gel wird, seine flüssigen Eigenschaften seien, aber Samuel glaubte, dass die feste Struktur im Gel auch der Schlüssel zur Gelbildung sei.

Um zu überprüfen, wer Recht hatte, begann Samuel mit Experimenten, um zu beweisen, dass feuchte Gele kontinuierliche feste Netzwerke gleicher Größe und Form enthalten . Der Zweck des Experiments war ganz einfach: Es ging darum, die Flüssigkeit aus dem Gel zu entfernen und die feste Struktur beizubehalten und so zu beweisen, dass das Gel nichts mit der darin enthaltenen Flüssigkeit zu tun hatte.

Aber das ist leichter gesagt als getan. Lässt man die Flüssigkeit im Gel einfach verdunsten, schrumpft die entsprechende feste Struktur zwangsläufig.

Da sich die Flüssigkeitsmoleküle nach der Entfernung gegenseitig anziehen und dadurch an der umgebenden festen Struktur ziehen, „kollabiert“ das Gel von innen heraus, bis es auf 1/10 seines ursprünglichen Volumens schrumpft.

Diese Methode würde definitiv nicht funktionieren. Nach langem Nachdenken kam Samuel zu dem Schluss, dass die Integrität der festen Struktur nur durch Ersetzen der Flüssigkeit im Gel gewährleistet werden könne.

Wenn wir es ersetzen möchten, müssen wir Gas verwenden, da das Gel bereits sowohl feste als auch flüssige Aggregatzustände enthält.

Normales Gas kann die Gelflüssigkeit jedoch sicherlich nicht ersetzen, also entschied sich Samuel, einen Umweg zu gehen, um die Situation zu retten. Er presste und erhitzte die Flüssigkeit, bis sie den kritischen Punkt durchbrach, sodass die Flüssigkeit zu einem überkritischen Fluid wurde (zwischen Flüssigkeit und Gas besteht grundsätzlich kein Unterschied mehr) und die Moleküle sich nicht mehr gegenseitig anzogen.

Samuel wählte Natriumsilikat als Rohmaterial, verwendete Salzsäure zur Förderung der Hydrolyse und verwendete Wasser und Ethanol als Lösungsmittelaustauscher, um es in Alkoholgel umzuwandeln. Anschließend setzte er das Alkoholgel einer Umgebung mit hoher Temperatur und hohem Druck aus. Nachdem das darin enthaltene Ethanol zu einer überkritischen Flüssigkeit geworden war, hielt er die kritische Temperatur aufrecht, während er den Druck auf das Gel reduzierte. Als der Druck abnahm, wurden die Ethanolmoleküle als Gas freigesetzt.

Samuel im Labor

Anschließend wird das Gel von der Wärmequelle entfernt. Nach dem Abkühlen verwandelt sich der ursprünglich im Gel enthaltene flüssige Ethanol in Gas und verdampft, sodass nur eine feste, mit Gas gefüllte Struktur zurückbleibt. Dies ist die Geburt des ersten Aerogels.

Verbesserung der Aerogel-Herstellungsmethode

Zweifellos handelt es sich dabei um bahnbrechende Forschungen, doch seltsamerweise stagnierte die Aerogelforschung in den darauffolgenden 30 Jahren nahezu, was vor allem daran lag, dass die Herstellungsbedingungen damals vergleichsweise schwierig waren und besonders lange dauerten.

Erst 1970 grub die Universität Lyon auf der Suche nach einem porösen Material, das Sauerstoff und Raketentreibstoff speichern könnte, über 30 Jahre altes Aerogel aus und verbesserte die auf Samuels Methode basierende Herstellungsmethode.

Bei der neuen Herstellungsmethode wird Alkoxysilan (TMOS) anstelle von Natriumsilikat und Formaldehyd anstelle von Ethanol verwendet. Das auf diese Weise hergestellte Gelalkoholgel kann qualitativ hochwertigeres Silica-Aerogel produzieren und die Zeit ist auch viel schneller. Diese Methode führt direkt zu einem großen Fortschritt in der Aerogelwissenschaft.

Mit der Verbesserung der Methoden befassten sich immer mehr Forscher mit dem Aerogel-Bereich.

Im Jahr 1983 entdeckte die Microstructured Materials Group am Berkeley Lab, dass die hochgiftige Verbindung TMOS durch das sicherere Tetraethylorthosilikat (TEOS) ersetzt werden konnte. Und TEOS wird durch das Sol-Gel-Verfahren hydrolysiert und polykondensiert.

Darüber hinaus stellte die Microstructured Materials Group fest, dass der Alkohol im Gel vor der überkritischen Trocknung durch flüssiges Kohlendioxid ersetzt werden konnte, ohne das Aerogel zu beschädigen.

Dies stellt einen erheblichen Fortschritt in puncto Sicherheit dar, da CO2 nicht die gleiche Explosionsgefahr birgt wie Alkohole .

Andere Anwendungen von Aerogel

Im Zuge der fortschreitenden Erforschung von Aerogelen wurde den Teilchenphysikern klar, dass sich dieses Nanomaterial zum Einfangen schwer fassbarer Tscherenkow-Strahlungspartikel verwenden ließe, da diese Partikel die komplexe Struktur des Aerogels nur schwer durchdringen können und daher im Aerogel verbleiben.

Partikelspuren erfassen

Zusätzlich zum Sammeln von Partikeln hat das vom Jet Propulsion Laboratory der NASA hergestellte Silica-Aerogel auch einen „Flug“ ins All unternommen und die Aufgabe übernommen, Kometenpartikel zu sammeln.

Nachdem ich so viel gesagt habe, denke ich, dass jeder die verschiedenen Eigenschaften von Aerogel und die ständig verbesserten Herstellungsmethoden verstanden hat. Egal aus welcher Perspektive, es ist ganz hervorragend, aber warum hat es im Leben der Menschen keine Popularität erlangt?

Das erste ist die Produktion. Auch wenn die Herstellungsmethode viele Verbesserungen erfahren hat, setzen die kritischsten überkritischen Bedingungen immer noch einen Grenzwert.

Zweitens besteht bei der industriellen Herstellung von Aerogelen eine weitere große Herausforderung: Aerogele sind sehr spröde. Obwohl sie eine hohe Tragfähigkeit aufweisen, ist ihre Spannung leider sehr gering und sie können durch leichtes Drücken „in zwei Hälften gespalten“ werden, so dass im Allgemeinen andere Zusätze erforderlich sind.

Auch die Preisfrage kann nicht außer Acht gelassen werden. Der Preis für etwa 6 Kubikzentimeter Aerogel beträgt etwa 350 RMB, daher sind die Kosten auch ein Faktor, der die Produktion und Anwendung einschränkt.

Doch diese Probleme überwiegen die Vorteile nicht. Von seiner Entstehung bis heute scheint Aerogel ein „Material der Zukunft“ zu sein, das seiner Zeit um viele Jahre voraus ist und großes Potenzial besitzt.