Aerogel: Doğum Süreci

Aerogel: Giriş ve Özellikler

Dünyanın en hafif katı maddesi olarak bilinen aerojel, % hava ve %3% katı yapıdan oluşur ve havanın 1,5 katı yoğunluğa sahiptir. Aerojeller son derece hafif olmalarının yanı sıra, esas olarak silika ve havadan oluşurlar, dolayısıyla silikanın ısıl iletkenliği orta düzeyde, havanın ısıl iletkenliği ise düşüktür ve bu da onlara mükemmel ısı yalıtım özellikleri kazandırır.

Ayrıca aerojeller, hava difüzyonunu engelleyen çok sayıda nanometre ölçeğinde mikroskobik gözeneklere sahiptir ve bu da malzeme boyunca taşınımlı ısı transferini engeller.

Aerojeller, yüksek sıcaklıklara dayanıklılıkları nedeniyle öncelikle Mars gezginleri gibi ortamlarda yalıtım amaçlı kullanılır.

Ayrıca aerojelin hidrofobisitesi, polar -OH gruplarının polar olmayan -OR gruplarına dönüştürülmesiyle elde edilir ve hidrofobik bir aerojel oluşturulur.

Aerojel, modern teknolojinin son ürünü gibi görünse de ilk olarak 1930'lu yıllarda kimyager Samuel Kistler tarafından geliştirilmiştir.

İlk aerojelin doğuşu

Jel benzeri bir madde yaygındır, tükettiğimiz jelatin ise katı ve sıvı hallerin birleşimidir. Samuel Kistler ve meslektaşı Charles Running, jelatinin neden jel oluşturduğuna dair bir bahse girdiler. Charles bunun sıvının özelliklerinden kaynaklandığını düşünüyordu, ancak Samuel jelin içinde katı bir yapının varlığının anahtar olduğunu savunuyordu.

İddiasını kanıtlamak için Samuel, jelin içinde sürekli bir katı ağın varlığını deneysel olarak göstermeye çalıştı. Amaç, jelin içindeki sıvıyı uzaklaştırırken katı yapıyı koruyarak jel ile içindeki sıvının birbirinden bağımsız olduğunu göstermekti. Ancak sorun şu ki, jelin içindeki sıvıyı buharlaştırmak, moleküller arasındaki çekim kuvvetleri nedeniyle katı yapının çökmesine neden olacaktı.

Bunu aşmak için Samuel, jelin içindeki sıvıyı değiştirmek zorundaydı ve uygun tek seçenek, hem katı hem de sıvı halleri içeren bir gazdı. Ancak sıradan gaz, jelin içindeki sıvının yerini tutamazdı. Samuel yenilikçi bir yöntem kullandı. Jel sıkıştırılıp ısıtılarak sıvının kritik noktasını aşması sağlanarak süperkritik akışkana dönüştürüldü (sıvı ile gaz arasında hiçbir fark yoktur). Bu, moleküller arasındaki çekici kuvvetleri ortadan kaldırır ve dolayısıyla polimerler arasındaki çekici kuvvetler de ortadan kalkar.

Samuel hammadde olarak soda camını seçti ve hidrolizi kolaylaştırmak için katalizör olarak hidroklorik asit kullandı. Değişimde çözücü olarak su ve etanol kullanılarak alkol jeline dönüştürüldü. Daha sonra alkol jeli yüksek sıcaklık ve basınç ortamına yerleştirildi. Etanol süperkritik akışkan durumuna ulaştığında jelin basıncı düşürüldü. Basınç düşürüldükçe etanol molekülleri gaz halinde açığa çıktı. Isı kaynağından çıkarılıp soğumaya bırakıldıktan sonra jel içindeki etanol buharlaşarak geride gazla dolu katı bir yapı, yani orijinal aerojel bıraktı.

Çalışma 1931 yılında Nature dergisinde yayımlandı.

Aerojel üretimi için geliştirilmiş yöntem

Samuel'in araştırmaları, zorlu ve zaman alıcı üretim koşulları nedeniyle şüphesiz 30 yıldan fazla bir süre durgun kaldı. 1970'lerde oksijen ve roket yakıtı depolamak için gözenekli malzemeler arayan Lyon Üniversitesi, Samuel'in yöntemini geliştirerek dikkatini aerojellere yöneltti.

Yeni bir yöntem olarak soda camı yerine tetrametoksi silan (TMOS), etanol yerine ise formaldehit kullanıldı. Bu modifikasyon daha yüksek kalitede silika aerojel alkojelleri üretti ve hazırlama için gereken süreyi önemli ölçüde azalttı. Bu gelişme aerojel biliminde önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor.

Bu gelişmelerden sonra aerojel alanına daha fazla araştırmacı ilgi duymaya başlamıştır.

1983 yılında Berkeley Laboratuvarı'nın Mikro Yapılı Malzemeler Grubu, son derece toksik olan TMOS bileşiğinin daha güvenli olan tetraetoksi silan (TEOS) ile değiştirilebileceğini keşfetti. Ayrıca jeldeki alkole zarar vermeden sıvı karbondioksitin alkol yerine kullanılabileceğini keşfettik.

Bu, alkolün patlayıcı tehlikesini ortadan kaldırdığı için önemli bir güvenlik artışı anlamına geliyordu. Aerojellerle ilgili araştırmalar derinleştikçe fizikçiler, nanoölçekli malzemelerin, toplanması zor olan Çerenkov radyasyon parçacıklarını toplamak için kullanılabileceğini fark ettiler. Bu parçacıklar aerojelin karmaşık yapısına nüfuz etmekte zorluk çekiyor ve aerojelin içerisinde sıkışıp kalıyorlar.

NASA'nın Jet Propulsion Laboratuvarı'nda üretilen silika aerojel, kuyrukluyıldız toz parçacıklarını toplamak amacıyla uzaya fırlatıldı.

Bu aerojellerin özelliklerine ve aerojellerin neden bu kadar üstün bir malzeme olduğunu anlamanıza yardımcı olacak gelişen üretim yöntemlerine dair kapsamlı bir genel bakış. Peki bu avantajlarına rağmen aerojeller neden günlük hayatta daha yaygın olarak kullanılmıyor?

Öncelikle, üretim zorlu bir süreçtir ve üretim yöntemlerindeki birçok gelişmeye rağmen süperkritik koşullar hâlâ önemli bir engel teşkil etmektedir.

İkincisi, aerojellerin endüstriyel üretimi büyük zorluklarla karşı karşıyadır. Aerojeller çok kırılgandır. Ağır yükleri taşıyabilmesine rağmen çekme dayanımı çok düşüktür ve hafif bir kuvvetle bile kırılmaya meyillidir, bu nedenle genellikle ilave katkı maddelerinin kullanılması gerekir.

Etiketlendi Aerojel