Aerogeel

Aerogeel on väga väikese tiheduse ja väikese soojusjuhtivusteguriga materjal, mida saadakse siis, kui geelis asendatakse vedelik gaasiga. Seejuures peab aine struktuur kuivatamise käigus jääma samaks. Aerogeele saab valmistada mitmest ainest. Kõige tuntumad on ränipõhised aerogeelid, kuid kasutatakse ka süsinikku, metallide oksiide ning muid anorgaanilisi ja orgaanilisi ühendeid. Esimesed aerogeelid valmistas 1931. aastal Samuel Stephens Kistler. Kuigi aerogeeli nimetuse tõttu võib teda ekslikult pidada märjaks sültjaks massiks, on aerogeelid kuivad tahkised. Aerogeeli nimetus tuleneb sellest, et seda valmistatakse geelist ning selle struktuur kuivatamisel oluliselt ei muutu. Aerogeelid on mitme rekordi omanikud: kõige väiksema tihedusega tahkis (0,0011g/cm3) kõige väiksema murdumisnäitajaga tahkis (1,002) kõige väiksem soojusjuhtivustegur (0,016 W/m×K) kõige aeglasem heli läbimise kiirus materjalis (70 m/s) kõige suurem monoliitse materjali eripind (3200 m2/g) Kuna aerogeelides on soojusjuhtivus ja konvektsioon ehk kaks kolmest soojusülekande vormist (soojusjuhtivus, konvektsioon ja soojuskiirgus) nullilähedased, siis on aerogeelid väga head soojusisolaatorid. Soojusjuhtivus on väike seetõttu, et valdava osa aerogeeli ruumalast moodustavad poorid ning nendes sisalduv gaas (tavatingimustes õhk) ja gaasid on üldjuhul halvad soojusjuhid. Konvektsioon on aerogeelides väike seetõttu, et gaaside liikumine on väikestes poorides takistatud ja aeglane. Kergeimatel aerogeelidel moodustavad poorid 99,98% koguruumalast. Tänu sellele on ka aerogeelide tihedus väike ja eripind suur. Knudseni efekti tõttu saab aerogeeli soojusjuhtivustegur olla väiksem temas sisalduva gaasi samast näitajast. Kui gaasimolekule piiravate pooride läbimõõt on molekulide vaba tee pikkuse suurusjärgus, siis väheneb soojusjuhtivus. Tänu sellele saab aerogeelidel olla väiksem soojusjuhtivustegur kui selles sisalduval õhul. Aerogeel sisaldab osakesi, mille läbimõõt on 2–5 nm. Pärast aerogeeli loomise protsessi sisaldab see pinnal suurt hulka hüdroksüülrühmi. Hüdroksüülrühmad võivad põhjustada tugeva reaktsiooni, kui aerogeel pannakse vette, põhjustades selle vees katastroofiliselt lahustumist. Üks võimalus hüdrofiilse aerogeeli veekindluseks on aerogeeli leotamine mõne keemilise alusega, mis asendab pinna hüdroksüülrühmad (–OH) mittepolaarsete rühmadega (–OR) - protsess, mis on kõige tõhusam, kui R on alifaatne rühm. Räni-aerogeele kutsutakse oma väljanägemise tõttu tihti "külmunud suitsuks" (frozen smoke), "tahkeks suitsuks" (solid smoke) ja "õhk-klaasiks" (air glass). Neile omane sinakas toon tuleneb valguse lühemate lainepikkuste Rayleigh' hajumisest aerogeeli nanoosakestelt. Räni-aerogeelid sisaldavad nii mikro-, meso- kui makropoore, kuid valdavas ülekaalus on mesopoorid. Pooride keskmine suurus on umbes 20 nanomeetrit. Lisanditeta räni-aerogeelid suudavad kanda suuri raskusi, kuid ei talu dünaamilist survet. Nõnda võib räni-aerogeeli tükk massiga 2 g hoida enda peal telliskivi massiga 2,5 kg, kuid puruneb juba näpuga õrnalt vajutades. Mehaanilist vastupidavust suurendatakse kiud- ja polümeersete lisanditega, mis suurendavad tihedust ja vähendavad isolatsioonivõimet, kuid muudavad samas aine oluliselt painduvamaks ja vastupidavamaks, laiendades märgatavalt aerogeelide rakenduslikke võimalusi. Räni-aerogeelid on väga head dielektrikud. Nende erijuhtivus on suurusjärgus 10−18 S/cm. Süsinik-aerogeelid on musta värvi ja läbipaistmatud. Nende tihedus on veidi suurem kui räni-aerogeelidel (0,02–0,5 g/cm3). Pooride keskmine suurus on vahemikus 7–20 nanomeetrit. Infrapunases piirkonnas on süsinik-aerogeelidel väga tugevad musta keha omadused ning nad peegeldavad selles lainepikkuste diapasoonis väga vähe laineid tagasi. Soojusjuhtivustegur on seega vahemikus 120–320 W/m*K. Erinevalt räni-aerogeelidest juhivad süsinik-aerogeelid elektrit. Nende erijuhtivus on vahemikus 1–14,7 S/cm. Kombineerides seda omadust nende väga suure eripinnaga, on neid hea kasutada energia salvestamiseks. Aerogeele tehakse veel paljudest orgaanilistest polümeeridest. Näiteks kasutatakse tselluloosi ja agarit. Samuti valmistatakse aerogeele kalkogeenidest ja metallide (alumiinium, nikkel, tsink, raud jt) oksiididest. Ka puhastest metallidest on leitud võimalus aerogeelide tegemiseks. Lisaks tavalistele süsinik-aerogeelidele tehakse ka süsiniknanotorupõhiseid aerogeele, mille omadused, eriti elektrijuhtivuse osas, on erinevad. Aerogeelide kasutamise rakendusi on palju, ent laialdast tootmist on siiani piiranud kõrged tootmiskulud ja ebasobivad kõrvalomadused. NASA kasutas Stardust missioonil aerogeeliplokke kosmilise tolmu püüdmiseks. NASA on kasutanud aerogeele ka skafandrite ja marsikulgurite soojustamiseks. Nii ehituses kui ka (vee-aluste) gaasitorude soojustamiseks kasutatakse soojusisolatsioonimatte, mille puhul on aerogeelile lisatud kiudu, et muuta materjal mehaaniliselt tugevamaks ja vastupidavamaks. Süsinik-aerogeele kasutatakse väga suure eripinna tõttu superkondensaatorites ning seda valdkonda uuritakse ka Eestis põhjalikult. Tänu oma hüdrofiilsetele omadustele saab aerogeele kasutada õlireostuste likvideerimiseks. Tegu oleks keskkonnale ohutute taaskasutatavate adsorbentidega. Kalkogeenipõhiste aerogeelide abil saab puhastada vett sellistest raskmetallidest nagu elavhõbe ja plii. Dunlop Sport on osades oma tennise-, squash '​i- ja sulgpallireketites kasutanud aerogeele tänu nende väikesele tihedusele. Väikese võimsusega elektri abil köetavaid süsiniknanotorudest aerogeelkilesid saab kasutada lennukite välispindadel, et vältida jää teket. Aastal 2004 müüdi umbes 25 miljonit USA dollarit aerogeeli isolatsioonitoodet, mis oli 2013. aastaks tõusnud umbes 500 miljoni dollarini. See on nende materjalide kõige olulisem majanduslik mõju tänapäeval. Võimalus asendada tavapärane soojustus aerogeelilahendustega nii ehitus- kui ka tööstussektoris on üsna suur. CamelBak kasutab termospordipudelis isolatsioonina aerogeeli. Aerogeele valmistatakse põhiliselt sool-geelmeetodil, misjärel eemaldatakse vedelik nii, et geeli struktuur ei muutu. Peamised aerogeelide saamise viisid on järgmised. Esmalt tuleb luua sool ehk kolloidlahus. Siinkohal tuleb eristada sõna sool erinevaid tähendusi. Kokku segatakse ränialkoksiid (milleks on üldjuhul TEOS ehk tetraetoksüsilaan või TMOS ehk tetrametoksüsilaan), vesi ja alkohol (metanool või etanool). Hüdrolüüsi ja polükondensatsiooni tulemusel tekivad räni nanoosakesed ning moodustub geel. Kuna geelistumine on aeganõudev, kasutatakse protsessi kiirendamiseks katalüsaatoreid. Eelistatakse aluselisi katalüsaatoreid, nagu ammooniumhüdroksiid, kuna need säilitavad rohkem läbipaistvust ja kahandavad geeli vähem. Kõige levinum viis geeli kuivatamiseks on superkriitilise süsinikdioksiidiga kuivatamine. Superkriitilisel süsinikdioksiidil on gaasi ja vedeliku vahepealsed omadused, kuna tema temperatuuri ja rõhu väärtused ületavad CO2 kriitilise punkti omi. CO2 asendab geelis vedeliku ning normaaltingimustele toomisel süsihappegaas aurustub. Aerogeeli poorid täidab õhk. Enne superkriitilist kuivatamist tuleb geeli hoida lahuses, mis eemaldavad geelist vee (metanool, etanool, atsetoon). Kui geelil lasta vabalt normaaltingimustel kuivada, ei jää aerogeeli struktuur samaks ja tekib xerogeel. Vedeliku aurustumisel kukub geeli struktuur pindpinevuse tõttu kokku ja aerogeelile iseloomulikke poore ei teki. Seega väheneb oluliselt ruumala ning suurenevad tihedus ja soojusjuhtivus. Süsinik-aerogeeli puhul segatakse kokku resortsinool (1,3-dihüdroksübenseen), formaldehüüd (metanaal) ja vesi. Geelistumise kiirendamiseks lisatakse katalüsaatorina kaalium- või naatriumkarbonaati. Saadud geel on oluliselt tihkem kui räni puhul. Järgneb superkriitiline kuivatamine. Ei ole täheldatud, et aerogeelid oleksid kantserogeensed või mürgised. Siiski võivad väikesed osakesed mõnel määral põhjustada hingamisteede, naha ja silmade ärritust. Aerogeelide suuremahulisel töötlemisel tasub kasutada kaitsevahendeid. "History of silica aerogels". Lawrence Berkeley National Laboratory. Originaali arhiivikoopia seisuga 14.05.2009. Vaadatud 14.10.2014. "What is aerogel?". Vaadatud 14.10.2014. "Literature Review of High Performance Thermal Insulation" (PDF). Chalmers University of Technology. "The Surface Chemistry of Silica Aerogels". Lawrence Berkeley Laboratories: Microstructured Materials Group. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 1.12.2014. Vaadatud 22.08.2020. "Properties of aerogels". Vaadatud 14.10.2014. "Flavors of aerogels". Vaadatud 14.10.2014. "Catching comet dust". NASA. Vaadatud 14.10.2014. "Preventing heat escape through insulation called "aerogel"". NASA CPL. Originaali arhiivikoopia seisuga 13.10.2007. Vaadatud 14.10.2014. "Aerogels: Thinner, Lighter, Stronger". NASA. Vaadatud 14.10.2014. "Industrial insulation products and solutions". Aspen Aerogels, Inc. Vaadatud 14.10.2014. "Skeleton Technologies". Skeleton Technologies. Originaali arhiivikoopia seisuga 6.10.2014. Vaadatud 14.10.2014. "Hydrophobic Nanocellulose Aerogels as Floating, Sustainable, Reusable, and Recyclable Oil Absorbents". Aalto University School of Science. "Porous Semiconducting Gels and Aerogels from Chalcogenide Clusters". Science Magazine. "Dunlop Sport Technology". Dunlop Sport. Originaali arhiivikoopia seisuga 28.10.2014. Vaadatud 14.10.2014. "De-icing aeroplanes. Sooty skies". The Economist. Vaadatud 14.10.2014. "Aerogel-based thermal superinsulation" (PDF). J Sol-Gel Sci Technol. Vaadatud 22.08.2020. "Camelbak Podium Ice Insulated Bottle". Richard Cunningham. Vaadatud 22.08.2020. "How is aerogel made?". Vaadatud 14.10.2014. "Silica aerogel". Vaadatud 18.10.2014. "Silica aerogel recipes". Vaadatud 14.10.2014. "Making carbon aerogels". Vaadatud 14.10.2014. "Classic Silica Aerogel Safety Data Sheet" (PDF). Aerogel Technologies. Vaadatud 14.10.2014.