에어로겔은 극단적 인 재료 특성과 매우 가벼운 무게의 어색한 조립을 나타내는 다양한 고체의 다공성 물질입니다.
푹신한 흰 구름에서 자거나 단단한 공기 수영장에서 다이빙을하는 꿈을 꾸고 있었는데, 이상한듯한 멍청한 질감으로 수영하기 만하면됩니다. Aerogels는 당신의 판타지 울처럼 보입니다 . 그러나 그들은 매우 다릅니다. 존재하는 가장 가벼운 재료이기까지, 에어로겔은 불안하게 견고하고 광범위한 가혹한 조건에 엄청나게 면역됩니다.
가벼운 특성을 묘사 한 손의 손톱에 균형을 잡은 에어로겔 조각 (사진 크레디트 :NASA/Wikimedia Commons)
"공기"는면이나 그래 핀과 같은 특정 물질 또는 미네랄로 간주 될 수 없으며 특정 화학적 공식을 가질 수 없습니다. 대신, 그들은 다양한 계급입니다 특정 기하학적 구조를 갖는 재료 그룹으로 구성된 극단적 인 재료 특성의 어수선한 조립을 나타내는 고체 다공성 물질의 물질을 가로 지르는 분지 구조 사이의 높은 연계를 갖는 극도로 다공성 고체 폼. 이러한 연결은 몇 나노 미터에 걸쳐 있지만 엄청나게 강하고 내구성이 뛰어납니다. 놀랍게도,이“신비하게 화려한”재료는 당신이 상상할 수있는 것보다 훨씬 더 오래 역사적으로 주변에있었습니다. 1931 년 미국 화학 교수 인 사무엘 키스 틀러 (Samuel Kistler)는이 자료에 관한 첫 번째 발견을 성공적으로 발명 한 후 많은 시행 착오를 포함하는 과정을 발표했다.
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에어로겔을 만드는 방법?
달콤한 젤라틴 디저트 한 그릇을 준비한다고 상상해보십시오. 에어로겔 준비 과정은 실제로 매우 유사합니다. 젤라틴 분말을 뜨거운 물에 혼합 한 다음 냉장고에서 냉각시킵니다. 당신이 얻는 것은 gel입니다 . 이 시점에서 에어로겔과 일반 식용 젤로는 다르지 않습니다. 이 흔들리는 젤을 지금 오븐에 넣고 모든 수분을 제거하면 젤리가 의심 할 여지없이 가루로 변할 것입니다. 이것은 수분이 증기로 시프닝 될 때 젤리 재료 사이의 구조적 결합이 안쪽으로 당겨져 먼지 만 남기기 때문입니다.
.그러나 어떻게 든 젤의 모든 액체 함량을 꺼내면 견고한 구조와 모양을 손상시키지 않고 , 당신이 남겨 두는 것은 저밀도, 매우 다공성 고체입니다. 이것이 바로 에어로겔을 만드는 방법입니다.
그렇다면 고체를 손상시키지 않고 어떻게 액체를 꺼내나요? 다음은 DIY 에어로겔을 보여주는 비디오입니다.
답 :초 임계 건조
초 임계 건조는 모세관 작용으로 액체를 끌어낼 수있는 복잡한 기술입니다. 분해되지 않는 모든 순수한 물질은 임계점 에 있습니다. . 이것은 액체 상태와 기상의 구별이 사라지는 특정 압력과 온도입니다. 이 물질의 단계를 초 임계 유체라고합니다.
에어로겔을 만들려면 액체 (대부분 실리카)가 포함 된 밀봉 용기를 임계점 아래로 가져옵니다. 이 항아리에는 상단에 압력계와 온도를 높이기위한 장비가 장착되어 있습니다. 액체의 증기 압력과 혈관의 압력이 동일 할 때까지 일정량의 액체가 용기에 증발합니다. 이제 용기를 가열하면 온도에 따른 증기 압력의 증가로 인해 용기의 압력이 증가합니다. 이 액체의 임계점이 가까워지면서 탱크의 압력은 증기 분자를 충분히 가깝게 압박하여 증기가 액체만큼 밀도가 높아집니다.
동시에, 용기의 온도는 충분히 높아져 액체에서 분자의 운동 에너지가 액체로 함께 유지하는 매력적인 힘을 제거 할 수 있도록 충분히 높아집니다. 결국, 임계점에 도달하여 두 단계를 나누어 메 니스 커스를 흐리게하여 단일 초 임계 단계를 초래합니다! 이 단계에서, 유체의 표면 장력은 천천히 0으로 떨어져 모세관 응력도 떨어집니다.
AeroGelification
초 임계 액은 이제 전체 용기 전체에 걸쳐 겔로 채워진 모공을 가지고 있습니다. 이 젤의 액체는 이제 공정을 방해하기 위해 표면 장력없이 제거 될 수 있습니다. 이것은 부분적으로 억압 에 의해 수행됩니다 용기 (임계 압력 아래가 아님). 용기의 온도는이 단계에서 임계 온도 이상으로 유지되어야합니다.
목표는 유체가 여전히 초 임계 인 동안 용기에서 충분한 유체를 제거하는 것입니다. 이는 용기가 유체의 임계점 아래에서 완전히 억제 될 때 용기에 물질이 남아 있지 않도록하는 것입니다. 충분한 유체가 제거되면, 용기는 천천히 억압되고 주변 조건으로 다시 냉각됩니다. 이런 일이 발생함에 따라, 용기에 남겨진 소량의 액체는 임계점을 통과합니다. 그것은 기체 상태로 되돌아갑니다. 젤의 나머지 액체는 이제 모세관 응력이 발생하지 않고 가스로 완전히 전환되었으며 남은 것은 에어로겔입니다.
에어로겔 유형
에어로겔의 세 가지 기본 유형은 실리카, 탄소 및 금속 산화물입니다. 이 고체는 고유 한 구조 및 화학적 특성으로 인해 현대 장비에서 광범위한 응용 분야를 발견했습니다.
실리카는 마이크로 칩 및 반도체에 사용되는 물질 인 실리콘과 혼동되어서는 안됩니다. 실리카 단열재에 사용되는 유리 재료입니다. 실리카 에어로겔은 가장 일반적으로 논의되는 에어로겔이며; 사람들이 에어로겔에 대해 이야기하는 것을 들으면 실리카 에어로겔에 대해 이야기 할 가능성이 높습니다. 실리카의 분자는 백색광의 파장보다 크고 파란색 빛을 산란하여 반투명 파란색 색조를 제공합니다.
Bunsen 버너 아래에서 실리카 에어로겔을 가열함으로써 입증 된 에어로겔의 열전도율이 낮습니다. (사진 크레딧 :공개 도메인/위키 미디어 커먼즈)
하늘색 실리카 에어로겔과는 달리, 탄소 기반 에어로겔은 숯 같은 질감으로 회색 검은 색조를 가지고 있습니다. 그들의 매력적인 외관은 높은 전기 전도도 특성으로 구성됩니다. 수백만 개의 공기 갭과 모공은이 에어로 겔의 흡수 표면적을 극적으로 증가시켜 연료 전지, 담수화 시스템 및 슈퍼 커패시터의 필수 후보입니다.
이름에서 알 수 있듯이 금속 산화물 에어로겔은 금속 산화물로 만들어집니다. 그것들은 실제로 더 일반적인 실리카 에어로겔의 무기 사촌입니다. 각 유형의 에어로겔에는 고유 한 특성이 있습니다. 이 에어로겔은 탄소 나노 튜브 촉매와 같은 다른 재료의 많은 다른 화학적 형질 전환, 폭발성 매트릭스 및 선행의 촉매로서 매우 유용합니다. 이 에어로 겔은 종종 상당히 화려하고 일부는 자연에서도 자기입니다.
AirGel의 응용
열전도율이 낮고 가벼운 무게로 인해 건축 및 기기 단열재, 스토리지 매체, 자동차 및 우주 차량, 태양 광 장치 및 태양 광 연못을위한 완벽한 후보입니다.
에어로겔 담요는 NASA의 우주 셔틀을 발사하는 데 사용되는 매우 차가운 수소 연료로부터 중요한 시스템을 보호하는 데 사용됩니다. (사진 크레디트 :NASA)
다공성이 높고 밀도가 낮기 때문에 촉매, 기계 센서, 연료 저장, 이온 교환기, 배기 가스, 안료 캐리어 및 템플릿에 사용됩니다. 굴절률이 낮은 약간 반투명 한 고형물이기 때문에 가이드 가이드로도 사용되며 경량 광학의 적용을 찾습니다.
음향 적으로 소리에 불투명하여 방음 실의 벽과 초음파 거리 센서에 안감을 줄 때 사용됩니다. 가볍고 가벼운 탄성이기 때문에 과거 입자 트랩에서 에너지 흡수 장치로 잘 사용됩니다. 높은 표면적 및 낮은 유전체 상수를 갖는 에어로겔은 종종 유전력이 높은 강도로 인해 IC 및 커패시터의 유전체에 사용됩니다.
보시다시피,이 독특한 종류의 재료는 신발 상자에서 수분을 유지하는 것보다 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다!
