Hvordan Aerogels Arbejde

{h1}

Aerogels er utrolige materialer, der kunne have snesevis af anvendelser fra isolering til oprydning af olie. Lær om aerogels i denne artikel.

Airgel, et materiale skabt på et væddemål mellem to forskere i slutningen af ​​1920'erne, kan være det mest unikke stof på jorden. Det er det letteste solide eksistens - Guinness World Records sagde det selv - men det kan understøtte 500 til 4000 gange sin egen vægt (afhængigt af hvem du spørger) [kilde: NASA JPL, Guiness; Steiner, Zero-Gravity]. En cubic inch airgel kunne spredes ud til at dække et helt fodboldbane. Det er åndbart og brandsikkert, og det absorberer både olie og vand. Airgel er også utrolig stærk, i betragtning af dens vægt. Aerogels kan være gode elektriske ledere, men når de er lavet af forskellige materialer, er de også en af ​​de bedste isolatorer nogensinde kendt [kilde: Steiner, Zero-Gravity]. Så hvorfor har ikke aerogels den A-liste navn anerkendelse de fortjener?

Desværre producerer et sådant unikt produkt en ekstraordinær mængde tid og penge, dels fordi kun en meget lille mængde airgel er lavet i hver batch. Selvom der produceres mere airgel ad gangen, ville det bringe prisen ned, kommer processen og materialerne alene med en høj pris på omkring $ 1,00 pr. Kubikcentimeter. På omkring $ 23.000 pr. Pund er airgel for tiden dyrere end guld [kilde: NASA JPL, ofte stillede spørgsmål]!

Et sådant værdifuldt produkt synes at tilhøre ved siden af ​​diamanterne og perlerne i en arvingers smykkeskrin. Men airgel er mere tilbøjelige til at blive isoleret en raket eller fortykkelse maling end pryder velhavende socialites. Selvom aerogels måske ikke er så glamourøse som guld, udfører de deres opgaver uden peer.

I denne artikel vil vi undersøge, hvad der gør aerogels unikke fra deres opdagelse i Californien i slutningen af ​​1920'erne til deres tur til at samle rumstøv i 1999. Vi vil også se, hvad fremtiden holder for aerogels, og hvis der faktisk er en måde at gøre dem mere omkostningseffektive for offentligheden. Endelig vil vi vise dig, hvordan du kan lave dit eget airgel - overraskende kan det gøres.

Læs videre for at få mere at vide om, hvordan airgel først udkom og hvordan dette tilpasningsstof er lavet.

Airgel History

Legenden om airgel er indhyllet i mysterium. Det vi ved, er at i slutningen af ​​1920'erne havde den amerikanske kemiprofessor Samuel Kistler et væddemål med kollega Charles Learned. Kistler troede på, hvad der gjorde et objekt en gel var ikke dens flydende egenskaber, men dens struktur: specifikt sit netværk af små mikroskopiske porer kendt som nanoporer. Forsøg at bevise dette ved simpelthen at fordampe væsken førte til, at gelen deflaterede som en soufflé. Således var formålet med spillet at være den første til at erstatte væsken i "gelé" med gas, men uden at forårsage skade på strukturen [kilde: Steiner, Zero Gravity].

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

Efter meget forsøg og fejl var Kistler den første til at erstatte gelens væske med en gas, hvilket skabte et stof, der var strukturelt en gel, men uden væske. I 1931 offentliggjorde han sine resultater i en artikel kaldet "Coherent Expanded Aerogels and Jellies" i det videnskabelige tidsskrift Nature [kilde: Ayers, Pioneer].

Airgel begynder som en gel, kaldet alcogel. Alcogel er en silicagel med alkohol inde i dets porer. Simpelthen fordampning af alkoholen ud af siliciumdioxidstrukturen ville få strukturen til at indgå i kontrakt, ligesom en våd svamp vil deformere, når den er tilbage på en tæller for at tørre. I stedet for at stole på fordampning skal gelen være tørkritisk tørret. Her er hvad det kræver:

  1. Tryk og opvarm gelen forbi det kritiske punkt - det punkt, hvor der ikke er forskel på gas og væske.
  2. Tryk på gelen, mens den stadig er over dens kritiske temperatur. Når trykket falder, frigives molekyler som en gas, og væsken vokser mindre tæt.
  3. Fjern gelen fra din varmekilde. Efter at strukturen er afkølet, er der for lidt alkohol til at recondense tilbage i væske, så det vender tilbage til en gas.
  4. Tjek dit endelige produkt. Det der er efterladt er et solid lavet af silica, men nu fyldt med gas (luft) hvor der engang var væske.

Superkritisk tørring er, hvordan den flydende "alco" -del af alcogelen bliver til en gas inden for silicas nanoporer uden at strukturen kollapserer. Alcogel med sin fjernede alkohol kaldes nu airgel, da alkoholen er blevet erstattet af luft. Med kun 50 til 99 procent af det originale materiales volumen er airgel et let, fleksibelt og nyttigt materiale [kilde: Steiner, Zero Gravity].

Fortsæt til næste side for at lære om de mest almindelige typer af aerogeler, der er i brug i dag.

Typer af aerogels

De tre mest almindelige typer af aerogeler er silica, carbon og metaloxider, men det er silica, som oftest anvendes eksperimentelt og i praktiske anvendelser. Når folk taler om aerogeler, er chancerne for, at de taler om silica-typen [kilde: Aerogel.org, Silica]. Silica skal ikke forveksles med silicium, som er en halvleder, der anvendes i mikrochips. Silica er et glasagtigt materiale, der ofte bruges til isolering.

Til forskel fra de røgblå silica-aerogeler er carbonbaserede dem sorte og føles som trækul at røre ved. Hvad de mangler i udseende, udgør de i høj overflade og elektrisk ledende kapaciteter. Disse egenskaber gør carbon aerogels nyttige til superkapacitorer, brændselsceller og afsaltningssystemer [kilde: Aerogel.org, Organic].

Metaloxid-aerogeler er fremstillet af metaloxider og anvendes som katalysatorer til kemiske transformationer. De bruges også til fremstilling af sprængstoffer og carbon nanorør, og disse aerogeler kan endda være magnetiske.Hvad der anvender metaloxid-aerogeler som jernoxid og chromia bortset fra deres mere almindelige kiselkusiner er deres udvalg af opsigtsvækkende lyse farver. Når det laves i et luftgel, giver jernoxid en airgel i sin varemærke rust farve. Chromia aerogels vises dybgrøn eller blå. Hver type metaloxid resulterer i en luftgel af en lidt anden farve. [kilde: Aerogel.org, Metal].

Silica aerogels - de mest almindelige aerogels - er blå af samme grund himmelen er blå. Den blå farve opstår, når hvidt lys møder luftgelens silica-molekyler, som er større end lysets bølgelængder. Airgelet spredes eller reflekterer lysets kortere bølgelængder lettere end de længere. Fordi blå og violet lys har de korteste bølgelængder, spredes de mere end andre farver i det synlige spektrum. Vi ser spredte bølgelængder som farve, og da vores øjne er mere følsomme over for blå bølgelængder, ser vi aldrig de violette [kilde: Steiner, Zero-Gravity].

Læs videre for at lære mere om aerogels 'applikationer i rummet.

Vand vs Alkohol

Alcogels har deres porer fyldt med alkohol, men hvad hvis du brugte vand i stedet? I sine første forsøg brugte Kistler hydrogeler, som indeholdt vand. Ved tørring opfører disse geler sig meget som Jell-O gør. De bryder ned i en tøsig, rodet blob, fordi væsken i hydrogelen fordamper for hurtigt, for stoffet bevarer sin form. Med hvert molekyle, der siver ud, prøver andre at fylde hullerne. Dette forårsager, hvad der er kendt som kapillær stress inden for gelens porer, hvilket får hele strukturen til at falde sammen [kilde: jagt og ayer, historie].

Aerogels i rummet

Denne støvopsamler til rumfartøjet STARDUST var udstyret med 260 airgel paneler.

Denne støvopsamler til rumfartøjet STARDUST var udstyret med 260 airgel paneler.

Airgels alsidighed har gjort det meget vigtigt både på jorden og i rummet. Det har opfyldt en række roller på flere NASA-missioner, fra isolering af Mars rovers elektriske udstyr til at opfange rumstøv fra en hastighedskomende komet.

Kometer er primitive objekter, der dateres tilbage til solsystemets fødsel. Når de flyver gennem rummet, afstikker de partikler kaldet rumstøv. Dette rumstøv er efterspurgt af forskere, der håber det vil lære os, hvordan vores verden begyndte.

På en mission for at fange kometprøver og rumstøv i 1999 lancerede NASA et rumfartøj, der rejste 4,8 mia. Kilometer (svarende til 6.000 ture til månen) for at nå kometen Wild 2. Derefter åbnede tennisracket-formet støvopsamler op og brugt sine 260 airgel kuber til at fange de hurtige partikler af interstellært støv og bevare dem i deres naturlige tilstand [kilde: NASA JPL, Airgel]. Hvad som mere, som partikler bombarderede støvopsamleren, forlod de stier inden i samlerens airgel-kuber, mens de sænkede til et stop. Disse stier gjorde det muligt for forskere lettere at finde de små partikler fra rummet.

Da rumskibet ankom hjem i 2006, bragte det de første prøver tilbage til jorden fra plads i mere end 30 år. Airgels holdbarhed tillod støvopsamleren at vende tilbage fra rummet intakt, uden at der manglede en enkelt luftgelflise. Forskere har været i stand til at studere støv og krystaller indeholdt i airgel og afventer de indsigter, de kan bringe [kilde: broer].

Dernæst lærer vi om nogle af Airgels kommercielle applikationer.

Everyday Airgel Anvendelser

Kridtene oven på airgelen er beskyttet mod flammen nedenunder. Lignende silica-aerogeler blev anvendt til at isolere Mars-roveren.

Kridtene oven på airgelen er beskyttet mod flammen nedenunder. Lignende silica-aerogeler blev anvendt til at isolere Mars-roveren.

I deres tidligste dage blev aerogeler markedsført som fortykkelsesmidler og anvendt i alt fra sminke og maling til napalm. De blev også brugt som cigaretfiltre og isolering til frysere. Monsanto var det første selskab, der markedsførte Airgels kommercielle applikationer. Kistlers superkritiske tørremetode var imidlertid også farlig, tidskrævende og dyr, selvom den var effektiv. Efter 30 års produktion førte Monsanto alle disse faktorer til at standse fokus på aerogels i 1970'erne.

Dette var imidlertid ikke slutningen af ​​airgel. Ikke længe efter, at Monsanto forlod det, udviklede forskere en proces, der gjorde produktionen af ​​aerogeler mindre giftig ved anvendelse af en sikrere alkoxidforbindelse. De gjorde det også mindre farligt ved at erstatte superkritisk alkohol med superkritisk carbondioxid i tørringsprocessen. Disse udviklinger reducerede den tid, der blev brugt til tørring af aerogelerne og reduceret deres farlige og brandfarlige karakter. Sådanne fremskridt gjorde airgel lidt mere kommercielt levedygtige igen, og forskere voksede fascineret af produktets muligheder. [kilde: jagt og ayer, historie]

Da airgels produktion blev lavet mindre kompliceret og farlig, har dens unikke egenskaber gjort airgel populære hos en række brancher. Silicon-producenter, homebuilding-materialer og rumbureauer har alle sat airgel til brug. Dens popularitet er kun blevet forhindret af omkostninger, selvom der er et stadig mere succesfuldt skub for at skabe aerogeler, der er omkostningseffektive. I mellemtiden kan aerogeler findes i en række produkter:

  • våddragter
  • Brandbeklædningsdragter
  • ovenlys
  • vinduer
  • Rockets
  • maling
  • Kosmetik
  • Atom våben

[kilde: Aerogel.org, moderne historie]

På grund af Airgels unikke struktur, anvendes det som en isolator en no-brainer. De superisolerende luftlommer med airgelstrukturen modvirker næsten de tre metoder til varmeoverførsel: konvektion, ledning og stråling [kilde: Cabot Corporation].Selv om airgel stadig er ret dyrt, er den gode nyhed, at undersøgelser har vist, at airgelisolering, der anvendes i vægrammering og hårdisolerede områder som vinduesblinkning, kan spare et boligejer op til 750 dollar om året. Ud over at hjælpe husejere spare penge kan airgelisolering betydeligt reducere dit kulstoffodaftryk. [kilde: Aspen Aerogels, New Spaceloft]. Virksomheder kører for at finde en måde at bringe omkostningerne ned, men for nu er luftfartøjer mere overkommelige for NASA end offentligheden. Imidlertid anvendes aerogeler til byggefirmaer, kraftværker og raffinaderier. Måske når det er mere overkommeligt, vil airgel opnå denne A-liste status.

Fra jord til rum har aerogels utvivlsomt et sted i vores fremtid. Læs videre for at lære om de seneste Airgel-fremskridt, og hvordan du også kan eksperimentere med Airgel.

Fremtiden for Aerogels

En 5,5 pund mursten understøttes af et stykke silica airgel vejer kun 2 gram (0,07 ounces).

En 5,5 pund mursten understøttes af et stykke silica airgel vejer kun 2 gram (0,07 ounces).

Selv om airgel er dyrt, eksperimenterer eksperimenter stadig med at gøre det stærkere, billigere og mindre farligt. For eksempel overraskede professor Nicholas Leventis fra Missouri University of Science and Technology videnskabsverdenen i 2002 med meddelelsen om, at han havde udviklet en metode til fremstilling af ikke-sprøde aerogeler. Leventis aerogels, kendt som x-aerogeler, er ikke kun stærkere; de er også mere fleksible, vandtætte og slagfaste. Ulempen er, at x-airgel produktion kræver mere farlige kemikalier og tager mere tid; Disse kemikalier mindsker også sin isolationsevne [kilde: Aerogel.org, Strong]. På trods af nogle negativer har x-aerogels følgende mulige anvendelser:

  • Isolerende ovenlys
  • Rustning
  • Non-deflatable (eller "run-flat") dæk
  • Membraner til elektrokemiske celler
  • Luftfartøjsstrukturer
  • Varmeskærme til rumfartøjer

[kilde: Leventis]

Derudover kunne aerogeler hjælpe med at skubbe for mere "grøn" teknologi. Carbon airgel har stort potentiale for superkapacitorer og brændselsceller til energieffektive biler. Faktisk kan energilagringskapaciteten for carbon airgel medføre en masse nye teknologier, men kun hvis airgels produktionspris bliver mere overkommelig til store operationer.

Den gode nyhed er, at du ikke behøver at være en velfinansieret forsker til at eksperimentere med at lave nye aerogeler. Vil du lave dit eget airgel? Selv om det er muligt at gøre det hjemme, er det bedst udført i et laboratorium, der indeholder alle de nødvendige materialer, herunder en autoklave til at tørre din airgel superkritisk. (Hvis du føler dig super produktiv, så er der instruktioner om, hvordan du laver din egen superkritiske tørretumbler.) Spørg omkring dit lokale universitet eller fællesskabskollege; chancerne er, hvis du fortæller dem, at du har en opskrift, du vil arbejde med, kan de lade dig bruge deres udstyr [kilde: Hunt and Ayers, Making; Aerogel.org, Build].

Flere websteder giver vejledning om, hvordan man laver aerogeler, herunder aerogel.org og denne fra University of California. Uanset hvor du laver din airgel, er sikkerhedsforanstaltninger et must. Brug beskyttelsesbriller, handsker (den bedste slags er opvaskemidler), lange bukser, lukkede sko og en malermask for at beskytte dig mod farlige dampe og brandfarlige materialer. [kilde: Steiner, hvordan man laver; Jagt og ayers, gør]

Aerogels - er der noget de ikke kan gøre? Forhåbentlig vil offentligheden være på fornavn med dem i den nærmeste fremtid. For mere information om aerogels og relaterede emner, se linkene på næste side.


Video Supplement: Paradise Lost #5 ~ Must See! The Last Resort Indeed !.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com