خانه » نانو ساختارها » نانو ساختارهای متخلخل » جلسه ۴ : معرفی آئروژل‌ها (Aerogels)

جلسه ۴ : معرفی آئروژل‌ها (Aerogels)


شرکت در آزمون
آئروژل ها موادی با حفره های نانومتری، چگالی پایین، منافذ زیاد (تخلخل بالا) و مساحت داخلی بالا هستند. این ویژگی ها باعث ایجاد خصوصیات استثنایی و منحصر به فرد مانند هدایت گرمایی پایین، سرعت صوت پایین و عملکرد به عنوان عایق صوتی و همچنین گذردهی نوری بالا می شود. لذا آئروژل ها نانو موادی هستند که پتانسیل زیادی برای کاربردهای مختلف دارند. فرایند ساخت آئروژل شامل دو مرحله می باشد. مرحله ساخت ژل که حلال در آن نفوذ می کند و مرحله حذف حلال یا خشک کردن می باشد. واژه آئروژل بیشتر بر ساختار داخلی ماده دلالت دارد تا به مواد سازنده، بنابراین ساختار آئروژل ها از مواد اولیه مختلف امکان پذیر است. آئروژل ها معدنی، آلی و هیبریدی سنتز شده اند و علاوه آئروژل ها کامپوزیتی و آئروژل های تقویت شده با الیاف نیز تهیه شده اند.
کلمات کلیدی: آئروژل آلی، آئروژل معدنی، آئروژل هیبریدی، کربن آئروژل، زیروژل، کریوژل، سل-ژل، حلال فوق‌بحرانی
۱- مقدمه
واژه آئروژل از دو کلمه هوا و ژل تشکیل شده است. آئروژل ها سبک ترین و کم دانسیته ترین جامدهایی هستند که تاکنون شناخته شده اند. به طور عمده ۵۰-۹۹.۵ درصد حجم آنها را هوا تشکیل داده است. آئروژل ها سطحی حدود ۲۵۰-۳۰۰۰ مترمربع در هرگرم دارند، بطوریکه یک اینچ مکعب آن سطحی حدود یک زمین فوتبال دارد. در بسیاری مواد آئروژل، ساختارهایی بی شکل را نشان می دهند که با روش های مشخصه‌یابی X-Ray مشخص می شود. آئروژل اولین بار توسط استیون کیستلر در سال ۱۹۳۱ ساخته شد. اولین نوع آئروژل ها از نوع سیلیکا آئروژل ها بودند.
 

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای ۱ : تاریخچه ی پیدایش آئروژل

 


۲ – خواص آئروژل ها

۱-۲- خواص عایق بودن آئروژل ها:

 

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای۲: آئروژل ها بهترین مواد عایق حرارتی

 

آئروژل ها بهترین مواد عایق حرارتی شناخته شده هستند. آئروژل‌ها اگر چه بسیار ترد هستند، می توانند بسیار شفاف ساخته شوند. هدایت پایین آئروژل ها از بافت متخلخل آنها سرچشمه می گیرد. بطور کلی سیلیکا آئروژل با دانسیته نزدیک ۱۲۰ کیلوگرم بر متر مکعب هدایتی حدود ۵mWmK   دارد. سیلیکا آئروژل ها در پنجره های عایق کاربرد دارند که مانع از ورود و خروج گرما می شوند.

۲-۲ شیمی یکپارچگی آئروژل ها
از نظر شیمی تقویت خواص فیزیکی سیلیکا آئروژل ها بدون از بین رفتن دیگر خواص آنها لازم و ضروری است، بویژه وقتی که از اینها در ابر عایق ها حرارتی و … استفاده می شود. شفافیت سیلیکا آئروژل ها مزیت مهم آنها در کاربردهای مختلف است. برای این منظور دو فرایند قبل از خشکاندن آئروژل صورت می گیرد:

۱- شستن ژل مرطوب با محلول اتانول وآب

۲- مرحله پیرسازی (Aging) یعنی قرار دان ژل شسته شده در تماس با محلول اتانولی که شامل پیش ماده سیلیکونی مثلا تترامتیل ارتوسیلیکات است. با این فرایندها بدون اینکه خواص تراوایی آئروژل ها از بین برود، سختی آنها افزایش می یابد.

۲-۳- شیمی آبگریزی آئروژل ها
سیلیکا آئروژل ها خواص آبگریزی (Hydrophobicity) زیادی از خود نشان می دهند. ساختارهای آبگریز آئروژلی بوسیله Schwertfeger از متیل تری متوکسی سیلان و تترامتوکسی سیلان در شرایط بازی سنتز شدند و در متانول فوق بحرانی خشک شدند. در این روش خشکاندن با حرارت بالا منجر به آب گریز شدن سطح آئروژل ها می شود. آئروژل هایی که از ۲۰ درصد متیل تری متوکسی سیلان تشکیل شده اند روی آب شناور می مانند وبنابراین آبگریز هستند. آبگریز کردن سیلیکا آئروژل بوسیله متیل تری-متوکسی سیلان در شکل ۱ نشان داده شده است.

 

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل ۱- آبگریز کردن آئروژل [۱]
نمایش توضیحات فیلم

چند رسانه ای۳ : ماهیت شیمیایی سطح آئروژل ها

۲-۴- خواص مکانیکی آئروژل ها: 

یکی از مشخصات بارز آئروژل ها، سبکی و شکندگی آنهاست. در عین‌حال این مواد به اندازه کافی محکم هستند که بتوان آنها را با دست حمل کرد. قدرت فشردگی، قدرت کششی و الاستیسیته (Elasticity) آنها بسیار پایین است و بزرگی این خواص وابسته به بهم پیوستگی شبکه آئروژل و دانسیته پایین آن است. طی فرایند پیرسازی (Aging)، ژل های در محلول های الکوکسید قرار می گیرند و شبکه محکمتری می یابند. این فرایند، ژل ها را در مقابل فشار موئینگی مقاومتر می سازد و خواص مکانیکی آنها را بهبود می بخشد. 

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای۴ : نمونه ای از خواص بی نظیر آئروژل ها

 

۳– روش های ساخت آئروژل:

آئروژل ها ابتدا توسط واکنش های پلیمریزاسیون ترکیبات مختلف بصورت ژل تهیه می شوند و سپس این ژل های مرطوب بوسیله روش های مختلفی خشکانده می شوند. در نتیجه نمونه های خشک که موادی با بافت بسیار متخلل و سبک هستند، تولید می شوند.

۱-۳- فرایند ساخت سُل-ژل

در این فرایند که درجه حرارت پایین (معمولاً کمتر از ۱۰۰ درجه سانتی گراد) و در مایع رخ می دهد، مواد جامدی بدست می آیند. این مواد جامد در نتیجه فرایند پلیمریزه شدن که شامل برقراری پل های M-OH-M یا M-O-M بین اتم های فلز در مواد اولیه است، بوجود می آیند.
در اولین مرحله از این فرایند ذرات جامد کلوئیدی مستقل از هم بوجود می آیند که ابعاد آنها در حد نانومتر است (شکل ۲ الف). در دومین مرحله این ذرات کلوئیدی در حالی که آنها هنوز در حلال هستند بهم می پیوندند و تشکیل ژل می‌دهند (شکل ۲ ب). برای آشنایی بیشتر با تکنیک سنتزی سل‌ژل می‌توانید به مقالات ” تهیه نانومواد با روش سل-ژل ۱و۲″ مراجعه فرمایید.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل ۲-  فرایند سُل-ژل:   الف: سُل   ب: ژل [۱]
۲-۳- تبدیل ژل های مرطوب به آئروژل ها:۱-۲-۳-

خشکاندن به روش فوق بحرانی:
در این روش ژل های مرطوب در یک فضای بسته حرارت داده می شود که درجه حرارت و فشار این محیط برای مایعی که در خلل و فرج های ژل به دام افتاده است، در ناحیه بحرانی است. در نتیجه حلال بصورت گاز خارج می شود (شکل ۳).

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل ۳- دستگاه اتوکلاو برای خشک کردن آئروژل به روش فوق بحرانی [۱]
حلال های فوق بحرانی همزمان شبیه مایعات و شبیه گازها هستند که معمولاً فشار و حرارت بالایی دارند.
سیال های فوق بحرانی مثل گازها پخش می شوند، اما دانسیته و هدایت گرمایی شبیه مایع ها دارند. همچنین حلال های فوق بحرانی کشش سطحی کمی نسبت به مایع ها دارند که باعث حفظ ساختار متخلخل آئروژل و جلوگیری از فروپاشی ساختار در هنگام خشکاندن می‌شود. در جدول ۱ نام و مشخصات برخی از سیال های فوق بحرانی آورده شده است. در جدول زیر Tc دمای بحرانی و Pc فشار بحرانی است.
 

جدول ۱- مشخصات سیال های فوق بحرانی [۱]
filereader.php?p1=main_4f186cbf24644593c
۲-۲-۳- دیگر تکنیک های خشک کردن: 

ژل های آلی مرطوبی که در حلال های آلی ساخته شده اند را می توان بوسیله تبخیر حلال در فشار محیط با یک انقباض ملایم خشک کرد. سورفکتانت ها را نیز می توان برای کاهش فشار موئینگی به سیستم افزود.
روش های دیگر که برای خشک کردن می توان استفاده کرد موارد زیر را شامل می‌شود:
– استفاده از افزودنی های شیمیایی کنترل کننده خشک کردن از قبیل گلیسرول، فرمالدهید، اگزالیک اسید و تترامتیل آمونیوم هیدروکسید
-روش هایی که در مقیاس صنعتی استفاده می شود و شامل خشک کردن در فشار محیط است.
-خشک کردن انجمادی: در این روش مایع درون ژل ابتدا منجمد می شود و سپس بوسیله تصعید خشکانده می شود. موادی که به این ترتیب بدست می آید کریوژل (Cryogl) نامیده می شوند.
زیروژل ها (Xyrogel) ترکیباتی هستند که در شرایط معمول خشک شده‌اند. این مواد با آئروژل ها تفاوت چندانی ندارند، فقط آئروژل ها به این دلیل که به روش فوق بحرانی خشک می شوند حفرات بیشتر و بزرگتری دارند. ساخت و بافت آئروژل ها آنها را برای بسیاری کاربردها مناسب می سازد. در شکل ۴ مراحل انجام شده برای تهیه آئروژل نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_9c3abe44e6ee11295
شکل ۴ – مراحل تشکیل آئروژل و زیروژل [۱]
۴ – انواع آئروژل: 

۱- آئروژل های معدنی که شامل سیلیکا آئروژل ، آلومینا آئروژل  و…. هستند.
۲- آئروژل های آلی
۳- کربن آئروژل ها
۴- آئروژل های هیبریدی
۱-۴- آئروژل های معدنی:

اولین ژل های معدنی که در شرایط اسیدی سنتز شدند، سیلیکاژل ها بودند که بوسیله ابیلمین در سال ۱۸۴۶ تهیه شدند. ژل های طبیعی با ماهیت آلی در دنیای امروز معمولترند. تقریباً همه فلزات یا اکسیدهای نیمه هادی می توانند به فرم ژل تبدیل شوند. علاوه بر سیلیکون یا آئروژل سیلیکا، آئروژل معدنی برپایه تیتانیوم، زیرکونیوم، قلع، آلومینیوم، وانادیم، کروم، آهن، تانتالیم، مولیبدن، و نئوبیوم (Nb) در مقادیر کم سنتز می شوند. همچنین آئروژل اکسید دوتایی یا سه تایی نیز ساخته شده اند که یکی از معایب این ترکیبات شکننده بودن آنها است. این شکنندگی به دلیل طبیعت سرامیکی این ترکیبات است.

۲-۴- آئروژل های آلی:
پیش ماده های آلی که می توانند پلیمرهای آلی با پیوند کوالانسی قوی (C-C) تولید کنند، سنتز دسته جدیدی از آئروژل ها یکپارچه را ممکن ساخته است. بیشترین موادی که برای تهیه این آئروژل ها استفاده می شوند، رزوسینول-فرمالدهید یا ملامین-فرمالدهید هستند.
این آئروژل ها از تراکم (Condensation) رزورسینول یا ملامین یا فرمالدهید در محلول آبی قلیایی که (اغلب سدیم هیدروکسید یا سدیم هیدروژن کربنات به عنوان کاتالیست) تهیه می شوند. واکنش تراکم ملامین با فرمالدهید به این صورت است (شکل ۵):

filereader.php?p1=main_988e09d12bf3468b3
شکل ۵- آئروژل تهیه شده از ملامین با فرمالدهید [۱]
مواد دیگری که برای سنتز آئروژل های آلی استفاده می شود شامل فنول و فورفورال مخلوط شده با پلی دی متیل سیلوکسان، پلی آکریلونیتریل و پلی ایزوسیانات ها هستند.
این دسته از آئروژل ها کاربردهای بسیار سودمندی دارند. آنها می توانند با پلی اورتان ها بهم پیوسته، به پلی اوره ها و … تبدیل شوند. از این آئروژل ها در مواد عایق هم در خلا و هم در شرایط محیط استفاده می شود. این آئروژل ها شفاف نیستند اما عایق های حرارتی خوبی هستند (جدول ۲).
جدول ۲ – ویژگی های آئروژل های رزورسینول-فرمالدهید [۱]
filereader.php?p1=main_91cddd2d77e3201e6

۳-۴- آئروژل های کربن:
کربن آئروژل ها اولین بار در سال ۱۹۹۰ ساخته شدند. این آئروژل ها اغلب از گرماکافت (Pyrolysis) آئروژل های آلی در درجه حرارت های بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتی گراد بدست می آیند. با این روش، آئروژل های آلی به شبکه کربن هادی الکتریسته تبدیل می شوند. کربن آئروژل بدست آمده در طول گرماکافت، مساحت سطح و حجم بالای خلل و فرج های خود را حفظ می کنند. طی پیرولیز در دمای زیر ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد، تعداد میکروپرزها بسیار افزایش می یابد. بنحوی‌که بزرگترین مساحت سطح در حدود دمای ۶۰۰ درجه سانتی گراد بدست می آید. در دمای بالاتر از ۲۱۰۰ درجه سانتی گراد حجم حفرات به صفر می رسد، که بیانگر تشکیل حفرات بسته است.
کربن آئروژل ها به شکل های متفاوتی از جمله : یکپارچه، پودر، فیلم، دانه دانه هستند (جدول ۳).

جدول ۳ – ویژگی های کربن آئروژل های [۱]
filereader.php?p1=main_15c6dfa476c78fada
کربن آئروژل های قرارداده شده (Supported) روی سطح پلاتین هم تولید شده اند که در تهیه الکترود در پیل سوختی کاربرد دارند (جدول ۴).

جدول ۴ – ویژگی های کربن آئروژل های ساپورت شده روی پلاتین [۱]
filereader.php?p1=main_9efdcb50c91310d2c

۴-۴- آئروژل های هیبریدی:
محققان تلاش می کنند تا با سنتز مواد هیبریدی آلی – معدنی، گستره مواد را توسعه دهند. لذا آئروژل های هیبریدی در دستور کار آنها قرار دارد. وارد کردن ساختار آلی به زمینه سیلیکا آئروژل ها باعث بهبود خواص آبگریزی و الاستیکی آنها می شود. سنتز این قبیل هیبریدها غالباً از طریق سُل-ژل است.
آئروژل های یکپارچه آلی در دمای اتاق هدایت گرمایی به بزرگی سیلیکا آئروژل دارند. مزیت  مهم آئروژل‌های هیبریدی در مقایسه با سیلیکا آئروژل ها این است که کمتر شکننده هستند.
۵-معرفی کاربردهای آئروژل‌ها:

ساختار نانو و درجه تخلخل بالای آئروژل ها باعث القا خصوصیت بسیار جالبی می شود که کاربردهای ویژه ای به آنها می بخشند. کاربردهای زیر از جمله کاربردهای برجسته و ویژه آئروژل ها است:

• استفاده به عنوان عایق حرارتی
سیلیکا آئروژل با خاصیت عایق حرارتی و گرمایی بسیار عالی شناخته شده اند. عایق حرارتی آئروژل نسبت به عایق های دیگر مثل پلی استایرن منبسط شده کارآیی بهتری دارد.

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای ۵: انتقال حرارت در آئروژل ها


• استفاده به عنوان عایق صوتی
بطور کلی آئروژل ها عایق های صوتی بسیار خوبی هستند. انتقال صوت در آئروژل ها به نوع گاز درون شبکه ای،دانسیته و به طور عمده به بافت ماده اولیه بستگی دارد.

• استفاده در الکترونیک و تجهیزات انرژی
• باتری ها
بخاطر تخلخل بالای اکسید آئروژل ها، بسیاری از یون های کوچک را می توان در شبکه آنها جای داد. علاوه براین، این دسته از آئروژل ها عایق های حرارتی خوبی هستند که می توانند در باتری های الکتریکی با حرارت بالا استفاده می شوند.

• الکترود خازن
آئروژل ها به عنوان الکترود دولایه ای (Double Layer) در ابر خازن ها کاربرد دارند. آنها مقاومت الکتریکی کمی در حد ۳-۱۰ اهم دارند. ظرفیت ویژه کربن آئروژل های مشتق شده از آئروژل های رزورسینول-فرمالدهید حدود ۴۵ فاراد بر گرم در هر الکترولیت آبی است.

 

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای ۶: رسانایی الکتریکی آئروژل ها

 


• مواد دی الکتریک
فیلم نازک سیلیکا آئروژل ها به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک بسیار کم شناخته شده است که کاربرد آن در مدار مجتمع بسیار بزرگ است.

• ذخیره کننده انرژی
آئروژل با دارا بودن مساحت داخلی بالا می توانند بارهای الکتریکی یونها را به سرعت در فضا کوچک ذخیره کنند و به سرعت آنها را آزاد کنند.

• استفاده در صفحه نمایش
آئروژل ها بر پایه مغناطیس های شفاف می توانند در ساخت حافظه های غیرفعال یا در ساخت صفحه نمایش های تخت که پیکسل آنها به صورت مغناطیستی کنترل شوند، استفاده شوند.

• به عنوان نیمه هادی
برخی از آئروژل ها مخصوصاً آئروژل هایی از نوع کامپوزیت های فلزی-کالکوزید در صنعت نیمه هادی می توانند کاربرد داشته باشند.

• کاربرد آئروژل به عنوان حامل مواد مختلف
آئروژل ها می توانند به عنوان حامل ترکیبات مختلف برای مثال رنگدانه ها در داروسازی و کشاورزی استفاده شوند.

• کاربرد آئروژل در کاتالیست ها
آئروژل سیلیکا-آلومینا با ZnCl۲ به عنوان کاتالیست در واکنش های آلکیله کردن فریدل کرافتس بکار می رود. مثال‌های متعددی از این دسته می‌تواند ذکر شود.

• حسگر
آئروژل ها به خاطر داشتن مساحت سطح داخلی بالا می توانند در ساختار سنسورهای شیمیایی زیستی به کار گرفته شوند. همچنین باعث افزایش سطح فعال و حساسیت حسگر می‌شود.

• مواد ساختمانی
آئروژل ها دارای چگالی بسیار پایین و مستعد برای ساخت مواد سبک هستند. اما پایداری مکانیکی این مواد همچنان مسئله ساز است. برای رفع این مشکل اصلاح پلیمرها با الیاف طبیعی مانند سلولز صورت گرفته است.

• ضربه گیرها
شکنندگی آئروژل از معایب این مواد در کاربردهای مهندسی و ساختمانی می باشد. این خاصیت آئروژل ها در جذب انرژی سنتیکی بسیار عالی است و در کاربردهای مانند ضربه گیر مفید است.

۶ – نتیجه گیری:

آئروژل ها حفره ها یا تخلخل های فراوانی دارند که از هوا پر شده است. .در این مقاله روش ساخت آئروژل و فرایندهای خشک کردن را مرور کردیم. فرایند ساخت آئروژل شامل دو مرحله می باشد. مرحله ساخت ژل که حلال در آن نفوذ می کند و مرحله حذف حلال یا خشک کردن می باشد. در ادامه از ویژگی های و کاربردهای آئروژل بحث کردیم. آئروژل به خاطر چگالی پایین خصوصیت ویژه ای از خود نشان می دهند که برای عایق حرارتی و عایق صوتی جالب به نظر می رسند. به خاطر هدایت الکتریکی بالا و پایداری بالای آئروژل ها، این مواد به عنوان الکترود در پیل سوختی و ابرخازن ها (Supercapacitors) استفاده می شوند.


منابـــــع :

  • ۱. Alain, C., Pierre, G. “Chemistry of Aerogels and Their Applications”, Chemical Reviews, Vol. 102, pp. 4243-4265, (2002).
  • ۲. مرتضی سلطان دهقان، “آئروژل از فناوری تا کاربرد”، ماهنامه فناوری نانو،شماره ۱۱، پیاپی ۱۶۰، صفحه ۲۷، (۱۳۸۹).
  • ۳. مرتضی سلطان دهقان، “آئروژل از فناوری تا کاربرد”، ماهنامه فناوری نانو، شماره ۱۲،پیاپی ۱۶۶، صفحه ۱۳، (۱۳۸۹).
Download PDF
رفتن به بالا