Aerogel: Quá trình sinh nở

Aerogel: Giới thiệu và tính chất

Aerogel được biết đến là vật liệu rắn nhẹ nhất thế giới, bao gồm 97% không khí và 3% cấu trúc rắn, có mật độ gấp 1,5 lần không khí. Không chỉ cực kỳ nhẹ, khí gel còn chủ yếu được cấu tạo từ silica và không khí, do đó silica có độ dẫn nhiệt trung bình và không khí có độ dẫn nhiệt thấp, mang lại khả năng cách nhiệt tuyệt vời.

Ngoài ra, khí gel có nhiều lỗ chân lông cực nhỏ ở kích thước nano cản trở sự khuếch tán không khí, do đó cản trở quá trình truyền nhiệt đối lưu qua vật liệu.

Aerogel chủ yếu được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt trong các môi trường như tàu thám hiểm sao Hỏa vì khả năng chịu nhiệt độ cao.

Ngoài ra, tính kỵ nước của khí gel đạt được thông qua quá trình biến đổi, trong đó các nhóm -OH phân cực được chuyển thành -OR không phân cực, tạo thành khí gel kỵ nước.

Mặc dù khí gel có vẻ là sản phẩm tiên tiến của công nghệ hiện đại, nhưng nó thực chất mới được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1930 bởi nhà hóa học Samuel Kistler.

Sự ra đời của aerogel đầu tiên

Chất giống như gel rất phổ biến và gelatin mà chúng ta tiêu thụ là sự kết hợp giữa trạng thái rắn và lỏng. Samuel Kistler và đồng nghiệp Charles Running đã đặt cược vào lý do tại sao gelatin lại tạo thành gel. Charles tin rằng điều này là do tính chất của chất lỏng, nhưng Samuel lại cho rằng sự hiện diện của cấu trúc rắn bên trong gel mới là yếu tố then chốt.

Để chứng minh tuyên bố của mình, Samuel đã cố gắng chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của một mạng lưới rắn liên tục bên trong gel. Mục đích là chứng minh rằng gel và chất lỏng bên trong không liên quan đến nhau bằng cách duy trì cấu trúc rắn trong khi loại bỏ chất lỏng bên trong gel. Tuy nhiên, vấn đề là việc chỉ cần làm bay hơi chất lỏng bên trong gel cũng có thể khiến cấu trúc rắn bị sụp đổ do lực hấp dẫn giữa các phân tử.

Để khắc phục điều này, Samuel phải thay thế chất lỏng trong gel và lựa chọn phù hợp duy nhất là một loại khí đã chứa cả trạng thái rắn và lỏng. Tuy nhiên, khí thông thường không thể thay thế được chất lỏng bên trong gel. Samuel đã sử dụng một phương pháp sáng tạo. Gel được nén và đun nóng để chất lỏng vượt quá điểm tới hạn, biến nó thành chất lỏng siêu tới hạn (không có sự khác biệt giữa chất lỏng và chất khí). Điều này loại bỏ lực hấp dẫn giữa các phân tử, do đó loại bỏ lực hấp dẫn giữa các polyme.

Samuel chọn thủy tinh soda làm nguyên liệu thô và sử dụng axit clohydric làm chất xúc tác để tạo điều kiện cho quá trình thủy phân. Trong quá trình trao đổi, nước và etanol được sử dụng làm dung môi và chuyển thành alcogel. Sau đó, gel cồn được đặt trong môi trường có nhiệt độ và áp suất cao. Khi etanol đạt đến trạng thái lỏng siêu tới hạn, gel sẽ được giảm áp suất. Khi áp suất giảm xuống, các phân tử etanol được giải phóng dưới dạng khí. Sau khi được lấy ra khỏi nguồn nhiệt và để nguội, etanol trong gel bốc hơi, để lại cấu trúc rắn chứa đầy khí, chính là khí gel ban đầu.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature vào năm 1931.

Phương pháp cải tiến để sản xuất khí gel

Không còn nghi ngờ gì nữa, nghiên cứu của Samuel đã bị trì trệ trong hơn 30 năm do điều kiện sản xuất khó khăn và tốn thời gian. Vào những năm 1970, Đại học Lyon, nơi đang tìm kiếm vật liệu xốp để lưu trữ oxy và nhiên liệu tên lửa, đã tập trung sự chú ý vào khí gel, cải tiến phương pháp của Samuel.

Một phương pháp mới là thay thế thủy tinh soda bằng tetramethoxysilane (TMOS) và ethanol bằng formaldehyde. Sự biến đổi này tạo ra các alcogel silica aerogel chất lượng cao hơn và giảm đáng kể thời gian cần thiết để chế tạo. Sự cải tiến này đánh dấu bước tiến lớn trong khoa học khí gel.

Từ những cải tiến này, ngày càng có nhiều nhà nghiên cứu tham gia vào lĩnh vực khí gel.

Năm 1983, Nhóm Vật liệu vi cấu trúc của Phòng thí nghiệm Berkeley đã phát hiện ra rằng hợp chất cực độc TMOS có thể được thay thế bằng tetraethoxysilane (TEOS) an toàn hơn. Chúng tôi cũng phát hiện ra rằng có thể sử dụng carbon dioxide dạng lỏng thay cho cồn mà không làm hỏng cồn trong gel.

Đây là bước tiến lớn về mặt an toàn vì nó loại bỏ được nguy cơ nổ do rượu gây ra. Khi nghiên cứu về khí gel ngày càng sâu hơn, các nhà vật lý nhận ra rằng vật liệu nano có thể được sử dụng để thu thập các hạt bức xạ Cherenkov khó thu thập. Các hạt này khó có thể xuyên qua cấu trúc phức tạp của khí gel và bị mắc kẹt bên trong.

Silica aerogel được sản xuất tại Phòng thí nghiệm Động cơ Phản lực của NASA đã được phóng vào không gian trong sứ mệnh thu thập các hạt bụi sao chổi.

Tổng quan toàn diện về các đặc tính của các loại aerogel này và các phương pháp sản xuất đang phát triển sẽ giúp bạn hiểu tại sao aerogel lại là vật liệu vượt trội như vậy. Nhưng bất chấp những ưu điểm này, tại sao aerogel không được sử dụng rộng rãi hơn trong cuộc sống hàng ngày?

Đầu tiên, sản xuất rất khó khăn và mặc dù phương pháp sản xuất đã có nhiều cải tiến, điều kiện siêu tới hạn vẫn là rào cản đáng kể.

Thứ hai, việc sản xuất aerogel công nghiệp gặp phải nhiều khó khăn. Aerogel rất dễ vỡ. Mặc dù có thể chịu được tải trọng lớn nhưng độ bền kéo rất thấp và dễ bị gãy ngay cả khi chịu lực nhẹ, do đó thường cần thêm chất phụ gia.

Đã gắn thẻ Khí gel