نگاهی بر هواژلهای(ائروژل – Aerogel ) سیلیکایی

فناوری نانو در انواع فرایندها وارد شده و سبب ایجاد تحولات چشم‌گیری در صنایع مختلف شده است. ساختار‌های مختلفی از نانومواد به صورت نانوذره، نانولوله، نانوسیم، نانوپوسته، نانوامولسیون، نانولایه، نانوفیبر و نانوشیپوره و … هم­اکنون به صورت تجاری و یا تحقیقاتی مورد استفاده هستند.

دو چالش عمده در استفاده از انواع نانومواد وجود دارد: امکان پخش شدن و ایجاد اثرات سوء آنها در محیط زیست و امکان تجمع یافتن و کلوخه شدن نانومواد و رسوب و کاهش کارایی آنها به واسطه فعالیت بالای سطحی. به منظور رفع این دو چالش اساسی، دسته دیگری از نانومواد که در سال‌‌های اخیر توجه بسیار زیادی به آن شده است، ائروژل‌ها می‌باشند.

در صورتی که بتوان ژل را بدون اینکه ساختار جامد آن تغییر نماید، خشک نمود و مایع درون حفرات آن را با هوا جایگزین کرد، ائروژل تشکیل می‌شود. ائروژل‌ها از به هم پیوستن نانومواد در ساختار سه­بعدی با اندازه حفرات نانومتری به دست می‌آیند. به عبارت دیگر ائروژل‌ها ساختار‌های نانومتخلخل از مواد مختلف می‌باشند که اندازه حفرات در آنها در ابعاد چند نانومتر است.

ائروژل‌ها علاوه بر اینکه خصوصیات نانوذرات را دارا می‌باشند مشکل پخش شدن نانوذرات در محیط زیست و همچنین به هم پیوستن و رسوب آنها را از بین می‌برند. اولین ساختار ائروژل سیلیکایی در سال ۱۹۳۱ توسط Kistler از آب شیشه ساخته شد. با گذشت زمان انواع ائروژل‌ها از مواد اولیه مختلف ساخته و در کاربرد‌های متنوع مورد استفاده قرار گرفت.

ساخت زئولیت‌ها به عنوان مواد دارای اندازه حفرات کمتر از ۲ نانومتر از زمان‌‌های بسیار دور صورت می‌گرفته، ولی توانایی ساخت مواد با اندازه حفرات کنترل شده بین ۲ تا ۵۰ نانومتر از سال‌‌های ۱۹۹۰ به بعد انجام شد. در شکل ۱ تاریخچه تولید ساختار‌های نانومتخلخل نشان داده شده است. طبق تعریف سازمان IUPAC، مواد دارای اندازه حفرات کمتر از ۲ نانومتر، میکرومتخلخل، مواد دارای اندازه حفرات بین ۲ تا ۵۰ نانومتر، نانومتلخلخل یا مزومتخلخل و مواد دارای اندازه حفرات بیشتر از ۵۰ نانومتر، ماکرومتخلخل نامیده می‌شوند.

قابلیت تولید مواد نانو متخلخل، به کمک شناخت فناوری نانو و به خصوص روش سل ژل حاصل شده است. انواع مختلفی از مواد متخلخل تولید می‌شوند که در شکل ۲ موقعیت ائروژل‌ها نسبت به سایر مواد متخلخل نشان داده شده است. همچنین در این شکل، توزیع اندازه حفرات و میزان تخلخل مواد گوناگون ارائه شده است. ائروژلها جزء مواد مزومتخلخل هستند که اندازه حفرات بین ۲ تا ۵۰ نانومتر داشته و دارای تخلخل بالای ۹۵ درصد بوده و یکی از کاربردهایشان استفاده به عنوان جاذب است [۳].

اندازه حفرات مواد متخلخل تاثیر بسیار زیادی در کارایی و خواص آنها دارد.

 

کنترل اندازه حفرات و تولید موادی با بازه باریک توزیع اندازه حفرات هدف اصلی فناوری نانو در این حیطه است. مواد نانومتخلخل به دو صورت حفرات منظم و نامنظم تولید می‌شوند. روش‌های تولید نانوساختار‌های متخلخل منظم و نامنظم بسیار متفاوت است. ائروژل‌ها جزء مواد نانومتخلخل نامنظم (آمورف) می‌باشند..

هواژلهای(ائروژل – Aerogel ) سیلیکایی از مواد اولیه مختلفی مانند الکوکسیدها، آب شیشه، فوم شیشه و … تولید می‌شوند. تحقیقات صورت گرفته عمدتا بر مبنای تولید ائروژل‌ها از انواع الکوکسیدها و خشک­سازی به روش فوق بحرانی بوده است.

نیاز به کاهش هزینه‌‌های تولید و روش ایمن‌تر و کم هزینه‌تر سبب گشته تا هم‌اکنون توجه عمده به تولید ائروژل‌‌های سیلیکایی از آب شیشه و به روش خشک سازی در محیط اتمسفر صورت گیرد.

نگاهی بر هواژلهای(ائروژل - Aerogel ) سیلیکایی

خواص ائروژل های سیلیکایی

هواژلهای(ائروژل – Aerogel ) سیلیکایی که با انواع روش‌ها تولید می‌شوند دارای سطح ویژه ۵۰۰ تا ۱۶۰۰ متر مربع بر گرم، چگالی ۰۰۵/۰ تا ۱/۰گرم بر سانتی‌متر مربع، اندازه حفرات ۲ تا ۵۰ نانومتر (مزومتخلخل)، اندازه ذرات ۵ تا ۲۰ نانومتر، ضریب انتقال حرارت بسیار پایین در حدود ۰۰۵/۰ تا ۰۲/۰ وات بر متر کلوین، اندیس عبوردهی حدود ۱ و ثابت دی الکتریک پایین می‌باشند.

کابرد ائروژل های سیلیکایی

با توجه به خصوصیات منحصر به فردی که این نوع مواد دارند، دارای کاربرد‌های بسیار زیادی در صنایع مختلف هستند، از جمله استفاده به عنوان پایه کاتالیست، غشا‌های جداسازی گازها، جمع کننده گرد و غبار فضایی، استفاده در راکتور‌های Cherenkov، سیستم‌های اپتیکی، عایق‌‌های حرارتی، عایق‌‌های صوتی، پوشش‌‌های آب گریز، خازن‌ها و ….

این ساختارها، با توجه به سطح ویژه بسیار بالا و قابلیت کنترل اندازه حفرات و گروه‌های عاملی سطحی، در حوزه جداسازی انواع مواد از یکدیگر بسیار پتانسیل بالایی دارند. جداسازی آلاینده‌‌های مختلف از مایعات، گازها و خاک به کمک هواژلهای(ائروژل – Aerogel )سیلیکایی صورت گرفته است. همچنین با توجه به مکانیسم جذب فیزیکی این ساختارها در مئرد بیشتر ترکیبات، این جاذب‌ها می­توانند بارها احیا شده و بدون تغییر در خواص جذب دوباره مورد استفاده قرار گیرند.