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.
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.
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 50-99.5 درصد حجم آنها را هوا تشکیل داده است. آئروژل ها سطحی حدود 250-3000 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 1931 ساخته شد. اولین نوع آئروژل ها از نوع سیلیکا آئروژل ها بودند.
خواص آئروژل ها:
خواص عایق بودن آئروژل ها:
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. سیلیکا آئروژل ها در پنجره های عایق کاربرد دارند که مانع از ورود و خروج گرما می شوند.
آبگریزی آئروژل ها:
سیلیکا آئروژل ها خواص آبگریزی (Hydrophobicity) زیادی از خود نشان می دهند. در روش خشکاندن با حرارت بالا منجر به آب گریز شدن سطح آئروژل ها می شود. آئروژل هایی که از 20 درصد متیل تری متوکسی سیلان تشکیل شده اند روی آب شناور می مانند وبنابراین آبگریز هستند.
خواص آئروژل ها:
خواص عایق بودن آئروژل ها:
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. سیلیکا آئروژل ها در پنجره های عایق کاربرد دارند که مانع از ورود و خروج گرما می شوند.
آبگریزی آئروژل ها:
سیلیکا آئروژل ها خواص آبگریزی (Hydrophobicity) زیادی از خود نشان می دهند. در روش خشکاندن با حرارت بالا منجر به آب گریز شدن سطح آئروژل ها می شود. آئروژل هایی که از 20 درصد متیل تری متوکسی سیلان تشکیل شده اند روی آب شناور می مانند وبنابراین آبگریز هستند.
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.
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.
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.
• 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
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.
• 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. 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.
• 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 ZnCl2 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.
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. 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.
• 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 ZnCl2 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.
- ۹۳/۰۸/۱۷