Niezwykły aerożel

Niezwykły aerożel

Aerożele są niezwykłymi materiałami. Tę tezę potwierdza piętnaście odnotowanych do tej pory rekordów Guinessa, dotyczących ich właściwości. Jednak pomimo tego, tradycyjne aerożele są stosunkowo kruche i łatwo pękają. Z tego powodu nie mogą być stosowane w niektórych aplikacjach.. Nowa klasa polimerowych aerożeli odkryta przez NASA Glenn Research Center w Ohio może wkrótce umożliwić inżynierskie zastosowanie aerożeli, na przykład w produkcji dokładnie izolującej odzieży, unikalnych filtrów, cienkościennych lodówek czy izolacji budynków.

Pierwszy aerożel otrzymano w 1931 roku i był wynikiem zakładu dwóch chemików. Wiedząc, że galaretki to najczęściej pektyny żelowane z wodą, jeden z naukowców postanowił usunąć z nich wodę. Obecnie materiały te są mimo swojej małej gęstości są niezwykle wytrzymałe na ściskanie (podobnie jak grafitowe kompozyty stosowane w lotnictwie), zapewniając przy tym najmniejszą przewodność cieplną wśród znanych materiałów stałych. Dziwi, więc czemu, mimo takich właściwości, aerożele nie są szeroko stosowane.

May Ann B. Meador, profesor chemii z NASA, wyjaśnia, że pomimo tych niezwykłych właściwości, tradycyjnie aerożele wykonane są z krzemionki (dwutlenek krzemu), więc łatwo pękają i kruszą się. Meador i jej zespół, opracowali jednak niezwykłą formę polimerowego aerożelu, który jest mocny, elastyczny oraz odporny na składanie, bigowanie oraz kruszenie. Nowa klasa tych materiałów uzyskała nagrodę R&D100 2012.

„Nowe aerożele są do 500 razy mocniejsze niż ich odpowiedniki krzemionkowe.", mówi Meador. „Gruby kawałek materiału może utrzymać ciężar samochodu. Możliwa jest również jego produkcja w formie cienkiej, elastycznej folii, która ma szeroki wachlarz zastosowań handlowych i przemysłowych."

Wczesne próby naukowców obejmowały osadzanie na krzemionkowych aerożelach cienkiej warstwy polimeru o podobnej strukturze. Pomogła im w tym metoda chemicznego osadzania materiału z jego formy gazowej, jednak była ona niezwykle czasochłonna. Ponadto, większość polimerów, które mogą być wykorzystywane do tego posiadało niską temperaturę topnienia, a wiele zastosowań wymaga od materiału odporności cieplnej.

Do tego celu wykorzystano, więc poliimidy, które są bardzo odporne na wysokie temperatury (nawet 400 °C). Niestety standardowe metody formowania przysporzyły poważnych problemów, Gdy poliimidy w roztworze zostały poddane żelowaniu, a następnie suszeniu, żel zmniejszył swoją objętość jedynie o 40%, stając się tym samym zbyt gęstym. Starano się zbadać wiele odmian poliimidów, jednak efekty wciąż były niezadowalające.

W związku z tym NASA spróbowało usieciować poliamid, tworząc pomostowe układy trójwymiarowych polimerów kowalencyjnych. Są one bardziej sztywne niż liniowe polimery. Proces sieciowania udało się przeprowadzić w temperaturze pokojowej. Po osuszeniu powstałego w ten sposób żelu, udało się zredukować jego gęstość o 90%, która była na poziomie 0,15g/cm3.

Nowa klasa aerożeli ma oprócz niskiej przewodności cieplnej, ponad 100 razy większą wytrzymałość na rozciąganie niż aerożele krzemionkowe. Ogólnie rzecz biorąc, mają podobne właściwości, jak guma syntetyczna, z tym, że posiadają 10 razy mniejszą masę.

(rr)