แอร์โรเจล: กระบวนการเกิด

แอร์โรเจล: บทนำและคุณสมบัติ

แอโรเจลเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นวัสดุแข็งที่เบาที่สุดในโลก โดยประกอบด้วยอากาศ 97% และโครงสร้างแข็ง 3% และมีความหนาแน่นมากกว่าอากาศ 1.5 เท่า นอกจากจะมีน้ำหนักเบามากแล้ว แอโรเจลยังประกอบด้วยซิลิกาและอากาศเป็นหลัก ดังนั้น ซิลิกาจึงมีค่าการนำความร้อนปานกลาง ในขณะที่อากาศมีค่าการนำความร้อนต่ำ ซึ่งทำให้มีคุณสมบัติเป็นฉนวนกันความร้อนได้ดีเยี่ยม

นอกจากนี้ แอโรเจลยังมีรูพรุนในระดับนาโนจำนวนมาก ซึ่งขัดขวางการแพร่กระจายของอากาศ จึงขัดขวางการถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อนผ่านวัสดุ

โดยทั่วไปแล้วแอโรเจลใช้เป็นฉนวนในสภาพแวดล้อม เช่น ยานสำรวจดาวอังคาร เนื่องจากมีความทนทานต่ออุณหภูมิสูง

นอกจากนี้ คุณสมบัติไม่ชอบน้ำของแอโรเจลจะเกิดขึ้นได้จากการดัดแปลง โดยที่กลุ่ม -OH ที่มีขั้วจะถูกแปลงเป็น -OR ที่ไม่มีขั้ว ทำให้เกิดแอโรเจลที่ไม่ชอบน้ำ

แม้ว่าแอโรเจลจะดูเหมือนเป็นผลิตภัณฑ์ล้ำสมัยจากเทคโนโลยีสมัยใหม่ แต่ได้รับการพัฒนาครั้งแรกในช่วงทศวรรษที่ 1930 โดยนักเคมีซามูเอล คิสต์เลอร์

การเกิดของแอโรเจลตัวแรก

สารคล้ายเจลเป็นเรื่องปกติ และเจลาตินที่เราบริโภคจะเป็นการรวมกันของสถานะของแข็งและของเหลว ซามูเอล คิสต์เลอร์และเพื่อนร่วมงานของเขา ชาร์ลส์ รันนิ่ง เดิมพันว่าเหตุใดเจลาตินจึงก่อตัวเป็นเจล ชาร์ลส์เชื่อว่านี่เป็นผลจากคุณสมบัติของของเหลว แต่ซามูเอลโต้แย้งว่าการมีโครงสร้างที่เป็นของแข็งภายในเจลคือปัจจัยสำคัญ

เพื่อพิสูจน์การอ้างสิทธิ์ของเขา ซามูเอลพยายามสาธิตการมีอยู่ของเครือข่ายแข็งอย่างต่อเนื่องภายในเจลโดยการทดลอง เป้าหมายคือการแสดงให้เห็นว่าเจลและเนื้อหาของเหลวไม่มีความเกี่ยวข้องกัน โดยรักษาโครงสร้างของแข็งไว้ในขณะที่เอาของเหลวภายในเจลออก อย่างไรก็ตาม ปัญหาคือเพียงแค่การระเหยของเหลวภายในเจลก็จะทำให้โครงสร้างแข็งพังทลายลงเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล

เพื่อเอาชนะสิ่งนี้ ซามูเอลจำเป็นต้องแทนที่ของเหลวภายในเจล และทางเลือกที่เหมาะสมเพียงทางเดียวคือก๊าซซึ่งมีทั้งสถานะของแข็งและของเหลวอยู่แล้ว อย่างไรก็ตาม ก๊าซธรรมดาไม่สามารถทดแทนของเหลวภายในเจลได้ ซามูเอลใช้วิธีการที่สร้างสรรค์ใหม่ เจลถูกบีบอัดและให้ความร้อนเพื่อทำให้ของเหลวเกินจุดวิกฤต โดยเปลี่ยนเป็นของไหลเหนือวิกฤต (ไม่มีความแตกต่างระหว่างของเหลวและก๊าซ) การกระทำเช่นนี้จะกำจัดแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ส่งผลให้แรงดึงดูดระหว่างพอลิเมอร์หายไปด้วย

ซามูเอลเลือกแก้วโซดาเป็นวัตถุดิบและใช้กรดไฮโดรคลอริกเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่ออำนวยความสะดวกในการไฮโดรไลซิส ในการแลกเปลี่ยนนั้น น้ำและเอธานอลจะถูกใช้เป็นตัวทำละลายและแปลงเป็นแอลกอฮอล์เจล จากนั้นนำแอลกอฮอล์เจลไปวางในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง เมื่อเอธานอลถึงสถานะของไหลเหนือวิกฤต เจลก็จะถูกลดความดัน เมื่อความดันลดลง โมเลกุลเอธานอลก็จะถูกปล่อยออกมาเป็นก๊าซ หลังจากนำออกจากแหล่งความร้อนและปล่อยให้เย็นลง เอธานอลในเจลจะระเหยออกไป เหลือเพียงโครงสร้างแข็งที่เต็มไปด้วยก๊าซ ซึ่งก็คือแอโรเจลเดิม

การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature เมื่อปี พ.ศ. 2474

วิธีการปรับปรุงการผลิตแอโรเจล

ไม่ต้องสงสัยเลยว่างานวิจัยของซามูเอลหยุดนิ่งไปเป็นเวลา 30 กว่าปีแล้วเนื่องจากสภาวะการผลิตที่ยากลำบากและใช้เวลานาน ในช่วงทศวรรษ 1970 มหาวิทยาลัยลียงซึ่งกำลังมองหาวัสดุที่มีรูพรุนเพื่อกักเก็บออกซิเจนและเชื้อเพลิงจรวด ได้หันกลับมาให้ความสนใจกับแอโรเจลอีกครั้ง และพัฒนาวิธีการของซามูเอลให้ดีขึ้น

วิธีใหม่คือการแทนที่แก้วโซดาด้วยเตตระเมทอกซีซิเลน (TMOS) และเอธานอลด้วยฟอร์มาลดีไฮด์ การดัดแปลงนี้ทำให้ได้แอลกอฮอล์ซิลิกาแอโรเจลคุณภาพสูงขึ้นและลดเวลาที่จำเป็นในการเตรียมลงอย่างมาก การปรับปรุงนี้ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญทางวิทยาศาสตร์ของแอโรเจล

นับตั้งแต่การปรับปรุงเหล่านี้ ทำให้มีนักวิจัยเข้ามามีส่วนร่วมในสาขาของแอโรเจลมากขึ้น

ในปี พ.ศ. 2526 กลุ่ม Microstructured Materials ของ Berkeley Lab ได้ค้นพบว่าสารประกอบ TMOS ซึ่งมีพิษร้ายแรงสามารถถูกแทนที่ด้วยเตตระเอทอกซีซิเลน (TEOS) ที่ปลอดภัยกว่าได้ นอกจากนี้ เรายังค้นพบว่าสามารถใช้คาร์บอนไดออกไซด์เหลวแทนแอลกอฮอล์ได้โดยไม่ทำลายแอลกอฮอล์ในเจล

ถือเป็นความก้าวหน้าด้านความปลอดภัยที่สำคัญ เนื่องจากสามารถขจัดอันตรายจากการระเบิดของแอลกอฮอล์ได้ เมื่อการวิจัยเกี่ยวกับแอโรเจลมีความลึกซึ้งมากขึ้น นักฟิสิกส์ก็ตระหนักได้ว่าวัสดุในระดับนาโนสามารถนำมาใช้เพื่อรวบรวมอนุภาครังสีเชเรนคอฟที่เก็บได้ยาก อนุภาคเหล่านี้มีปัญหาในการทะลุผ่านโครงสร้างอันซับซ้อนของแอโรเจลและถูกกักไว้ภายใน

ซิลิกาเอโรเจลที่ผลิตขึ้นที่ห้องปฏิบัติการขับเคลื่อนไอพ่นของ NASA ได้ถูกปล่อยสู่อวกาศเพื่อทำภารกิจเก็บรวบรวมอนุภาคฝุ่นของดาวหาง

ภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับคุณสมบัติของแอโรเจลเหล่านี้และวิธีการผลิตที่พัฒนาขึ้นซึ่งจะช่วยให้คุณเข้าใจว่าเหตุใดแอโรเจลจึงเป็นวัสดุที่เหนือกว่า แต่ถึงแม้จะมีข้อดีเหล่านี้ ทำไมแอโรเจลจึงยังไม่ได้รับความนิยมใช้ในชีวิตประจำวันมากขึ้น?

ประการแรก การผลิตเป็นเรื่องที่ท้าทาย และแม้จะมีการปรับปรุงวิธีการผลิตหลายประการ แต่สภาวะวิกฤตยิ่งยวดยังคงเป็นอุปสรรคที่สำคัญ

ประการที่สอง การผลิตแอโรเจลในภาคอุตสาหกรรมต้องเผชิญกับความยากลำบากมากมาย แอโรเจลมีความเปราะบางมาก แม้ว่าจะสามารถรองรับน้ำหนักได้มากก็ตาม แต่ก็มีความแข็งแรงในการดึงต่ำมาก และมีแนวโน้มที่จะแตกหักแม้จะออกแรงเพียงเล็กน้อย ดังนั้นจึงมักต้องมีสารเติมแต่งเพิ่มเติม

ติดแท็ก แอร์โรเจล