에어로겔: 탄생과정

에어로겔: 소개와 특성

에어로겔은 세계에서 가장 가벼운 고체 물질로 알려져 있으며, 공기의 97%와 고체 구조의 3%로 이루어져 있으며 공기의 1.5배 밀도를 가지고 있습니다. 굉장히 가벼울 뿐만 아니라 에어로겔은 주로 실리카와 공기로 이루어져 있어 실리카의 열전도율이 중간이고, 공기는 낮은 열전도율을 가지고 있어 훌륭한 열 절연 능력을 갖추고 있습니다.

뿐만 아니라 에어로겔은 공기의 확산을 방해하는 수많은 나노 스케일의 미세한 구멍을 특징으로 하고 있어 물질을 통한 대류 열 전달을 방해합니다.

에어로겔은 고온에 강한 특성 때문에 주로 화성 로버와 같은 환경에서 단열재로 사용됩니다.

또한 에어로겔의 소수성은 변형을 통해 얻어지며, 이로 인해 극성 -OH 그룹이 비극성 -OR로 변환되어 소수성 에어로겔이 형성됩니다.

현대 기술의 첨단 제품으로 나타나는 에어로겔이지만, 화학자 새뮤얼 키슬러에 의해 1930년대에 처음 개발되었습니다.

첫 번째 에어로겔의 탄생

젤 같은 물질은 흔히 볼 수 있으며, 소비하는 젤라틴은 고체와 액체 상태의 조합입니다. 사무엘 키슬러와 그의 동료 찰스 러닝은 젤라틴이 젤을 형성하는 이유에 대한 내기를 벌였습니다. 찰스는 이것이 액체의 특성 때문이라고 믿었지만, 사무엘은 젤 내에 고체 구조가 존재하는 것이 핵심이라고 주장했습니다.

그의 주장을 증명하기 위해 사무엘은 젤 내에 연속적인 고체 네트워크의 존재를 실험으로 증명하려 했습니다. 목표는 젤 내의 액체를 제거하면서 고체 구조를 유지하여 젤과 액체 내용물이 관련이 없음을 증명하는 것이었습니다. 그러나 문제는 단순히 젤 내의 액체를 증발시키면 분자 간의 인력 작용으로 인해 고체 구조가 축소되어 젤이 붕괴된다는 것이었습니다.

이를 극복하기 위해 사무엘은 젤 내의 액체를 대체해야 했고, 유일한 적절한 선택은 이미 고체와 액체 상태를 포함하고 있는 가스였습니다. 그러나 일반 가스로는 젤 내의 액체를 대체할 수 없었습니다. 사무엘은 혁신적인 방법을 사용했습니다. 젤을 압축하고 가열하여 액체를 임계점을 초과하게 만들어 초임계 유체로 변환시켰습니다(액체와 가스 간의 차이가 없음). 이렇게 하면 분자 간의 인력 작용이 제거되어 고분자 간의 인력 작용이 없어진다.

사무엘은 원료로 소다 유리를 선택했고, 염산을 촉매로 사용하여 가수분해를 용이하게 했습니다. 교환에서 물과 에탄올은 용매로 사용되어 알코겔로 변환되었습니다. 알코겔은 그 후 고온, 고압 환경에 배치되었습니다. 에탄올이 초임계 유체 상태에 도달할 때, 젤이 감압되었습니다. 압력이 낮아짐에 따라 에탄올 분자가 가스로 방출되었습니다. 열원에서 제거되고 냉각된 후, 젤 내의 에탄올이 증발하여 가스로 채워진 고체 구조, 즉 최초의 에어로겔이 남았습니다.

이 연구는 1931년에 자연지에 발표되었습니다.

에어로겔 제조 방법 개선

의심할 여지 없이 사무엘의 연구는 어려우며 시간이 많이 걸리는 제조 조건으로 인해 30년 이상의 정체기를 겪었습니다. 1970년대에는 산소와 로켓 연료를 저장하기 위한 다공성 물질을 찾던 리옹 대학이 사무엘의 방법을 개선하며 에어로겔에 다시 관심을 기울였습니다.

새로운 방법은 소다 유리를 테트라메톡시실란 (TMOS)로 대체하고 에탄올을 포름알데히드로 대체하는 것이었습니다. 이 수정은 더 높은 품질의 실리카 에어로겔 알코겔을 생성하고 준비에 필요한 시간을 크게 줄였습니다. 이 개선은 에어로겔 과학에서 큰 발전을 나타냈습니다.

이러한 개선 이후 더 많은 연구자들이 에어로겔 분야에 참여하게 되었습니다.

1983년에 버클리 연구소의 미세 구조 물질 그룹은 고도로 유독한 화합물 TMOS를 더 안전한 테트라에톡시실란 (TEOS)로 대체할 수 있다는 것을 발견했습니다. 또한 알코올 대신 액체 이산화탄소를 겔 내의 알코올을 손상시키지 않고 대체할 수 있다는 사실을 발견했습니다.

이는 알코올의 폭발적인 위험이 없기 때문에 주요한 안전 진보를 나타냈습니다. 에어로겔에 대한 연구가 깊어짐에 따라 물리학자들은 나노 스케일 물질을 이용하여 어려운 채집이 어려운 체렌코프 방사능 입자를 수집하는 데 사용할 수 있음을 깨닫게 되었습니다. 이 입자들은 에어로겔의 복잡한 구조를 통과하는 데 어려움을 겪어 그 안에 갇히게 됩니다.

NASA의 제트 추진 연구소에서 제조된 실리카 에어로겔은 우주로 발사되어 혜성 먼지 입자를 수집하는 임무를 수행했습니다.

이러한 에어로겔의 특성과 계속 발전하는 제조 방법에 대한 종합적인 개요를 통해 에어로겔이 우수한 소재임을 알 수 있습니다. 그러나 그 장점에도 불구하고 왜 에어로겔이 일상생활에서 널리 사용되지 않았을까요?

우선, 생산에는 도전이 있으며 제조 방법이 여러 번 개선되었음에도 불구하고 초임계 조건은 여전히 중요한 장벽으로 작용합니다.

둘째, 에어로겔의 산업적 생산은 큰 어려움을 겪고 있습니다. 에어로겔은 매우 부서지기 쉽습니다. 강한 하중을 지탱할 수 있지만 인장 강도가 매우 낮아 약간의 힘으로도 깨지기 쉽기 때문에 일반적으로 추가 첨가제가 필요합니다.

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