Aerogel: Proses Kelahiran
Aerogel: Pengenalan dan Sifat
Airgel dikenali sebagai bahan pepejal paling ringan di dunia, dan terdiri daripada 97% udara dan 3% struktur pepejal, dan mempunyai ketumpatan 1.5 kali ganda daripada udara. Bukan sahaja ia sangat ringan, aerogel terutamanya terdiri daripada silika dan udara, jadi silika mempunyai kekonduksian haba perantaraan dan udara mempunyai kekonduksian haba yang rendah, memberikan keupayaan penebat haba yang sangat baik.
Selain itu, aerogel mempunyai banyak liang mikroskopik skala nano yang menghalang penyebaran udara, sekali gus menghalang pemindahan haba perolakan melalui bahan.
Aerogel digunakan terutamanya sebagai penebat dalam persekitaran seperti rover Marikh kerana rintangan suhu tinggi mereka.
Selain itu, hidrofobisiti aerogel dicapai melalui pengubahsuaian, di mana kumpulan -OH kutub ditukar kepada nonpolar -OR, membentuk aerogel hidrofobik.
Walaupun airgel nampaknya merupakan produk teknologi moden yang canggih, ia mula dibangunkan pada tahun 1930-an oleh ahli kimia Samuel Kistler.
Kelahiran aergel pertama
Bahan seperti gel adalah perkara biasa, dan gelatin yang kita makan adalah gabungan keadaan pepejal dan cecair. Samuel Kistler dan rakan sekerjanya Charles Running membuat pertaruhan tentang sebab gelatin membentuk gel. Charles percaya bahawa ini adalah disebabkan oleh sifat cecair, tetapi Samuel berhujah bahawa kehadiran struktur pepejal dalam gel adalah kunci.
Untuk membuktikan dakwaannya, Samuel cuba untuk menunjukkan secara eksperimen kewujudan rangkaian pepejal berterusan dalam gel. Matlamatnya adalah untuk menunjukkan bahawa gel dan kandungan cecairnya tidak berkaitan dengan mengekalkan struktur pepejal sambil mengeluarkan cecair dalam gel. Masalahnya, bagaimanapun, adalah bahawa hanya penyejatan cecair dalam gel akan menyebabkan struktur pepejal runtuh disebabkan oleh daya tarikan antara molekul.
Untuk mengatasinya, Samuel terpaksa menggantikan cecair di dalam gel, dan satu-satunya pilihan yang sesuai ialah gas yang sudah mengandungi kedua-dua keadaan pepejal dan cecair. Walau bagaimanapun, gas biasa tidak dapat menggantikan cecair di dalam gel. Samuel menggunakan kaedah yang inovatif. Gel telah dimampatkan dan dipanaskan untuk menyebabkan cecair melebihi titik kritikalnya, mengubahnya menjadi cecair superkritikal (tiada perbezaan antara cecair dan gas). Ini menghilangkan daya tarikan antara molekul, dengan itu menghapuskan daya tarikan antara polimer.
Samuel memilih gelas soda sebagai bahan mentah dan menggunakan asid hidroklorik sebagai pemangkin untuk memudahkan hidrolisis. Dalam pertukaran, air dan etanol digunakan sebagai pelarut dan ditukar kepada alkogel. Gel alkohol kemudiannya diletakkan dalam persekitaran suhu tinggi dan tekanan tinggi. Apabila etanol mencapai keadaan bendalir superkritikalnya, gel telah ditekan. Apabila tekanan diturunkan, molekul etanol dibebaskan sebagai gas. Selepas dikeluarkan dari sumber haba dan dibiarkan sejuk, etanol di dalam gel tersejat, meninggalkan struktur pepejal berisi gas, aerogel asal.
Kajian itu diterbitkan dalam Nature pada tahun 1931.
Kaedah yang lebih baik untuk pembuatan aerogel
Tidak dinafikan, penyelidikan Samuel terbantut selama lebih 30 tahun kerana keadaan pembuatan yang sukar dan memakan masa. Pada 1970-an, Universiti Lyon, yang sedang mencari bahan berliang untuk menyimpan oksigen dan bahan api roket, menumpukan semula perhatiannya pada aerogel, menambah baik kaedah Samuel.
Kaedah baru adalah menggantikan gelas soda dengan tetramethoxysilane (TMOS) dan etanol dengan formaldehid. Pengubahsuaian ini menghasilkan alkogel aerogel silika berkualiti tinggi dan dengan ketara mengurangkan masa yang diperlukan untuk penyediaan. Peningkatan ini mewakili kemajuan besar dalam sains aerogel.
Sejak penambahbaikan ini, lebih ramai penyelidik telah terlibat dalam bidang aerogel.
Pada tahun 1983, Kumpulan Bahan Berstruktur Mikro Berkeley Lab mendapati bahawa sebatian yang sangat toksik TMOS boleh digantikan dengan tetraethoxysilane (TEOS) yang lebih selamat. Kami juga mendapati bahawa karbon dioksida cecair boleh digunakan sebagai ganti alkohol tanpa merosakkan alkohol dalam gel.
Ini mewakili kemajuan keselamatan yang besar, kerana ia menghapuskan bahaya letupan alkohol. Apabila penyelidikan ke atas aerogel semakin mendalam, ahli fizik menyedari bahawa bahan berskala nano boleh digunakan untuk mengumpul zarah sinaran Cherenkov yang sukar dikumpulkan. Zarah-zarah ini mengalami kesukaran menembusi struktur kompleks aerogel dan terperangkap di dalamnya.
Airgel silika yang dihasilkan di Makmal Penggerak Jet NASA telah dilancarkan ke angkasa lepas dalam misi untuk mengumpul zarah debu komet.
Malay 
Korean 
Vietnamese 
Turkish 
Hindi 
Thai