هواژل

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
یک قطعه آجر ۲٫۵ کیلوگرمی روی تکه‌ای ۲ گرمی از هواژل (ماده شفاف زیر آجر) گذاشته شده‌است.
گلی که بر روی تکه‌ای از ایروژل حرارت دیده معلق گردیده؛ ایروژل عایق حرارتی بسیار خوبی است٬ چنان که گل از حرارت شعله هیچ آسیبی ندیده است.

هَوا-ژِل یک مادّهٔ تولیدی است که کمترین چگالی را در میان مواد جامد دارد.((در ابتدا فرض بر منفی بودن وزن این ماده بود ولی با تحقیق متوجه وزن بسیار ناچیز ان شدند)) این مادّه از یک ژل به دست می‌آید که در آن قسمت مایع ژل با گاز جایگزین می‌شود. نتیجه این فرایند ماده‌ای جامد با چگالی بسیار کم و در عین حال، ویژگی قابل‌توجه در زمینه عایق گرمایی است. هواژل در فرهنگ عامه مردم تحت نام‌های دیگری هم‌چون دود منجمد، دود جامد، هوای جامد و یا دود آبی نیز شناخته می‌شود که این نام‌گذاری‌ها به دلیل ظاهر شفاف و نیز نحوه پخش نور در این ماده‌است.

هواژل برای نخستین بار توسط ساموئل استفان کیستلر در سال ۱۹۳۱ ساخته شد و تولید آن بر اساس یک شرط‌بندی[نیازمند منبع] برای جایگزین کردن قسمت مایع ژله خوراکی با گاز بود بدون آن‌که ساختار ژله در هم بشکند.

فرایند تولید هواژل شامل استخراج بخش مایع ژل با استفاده از روش خشکاندن فوق بحرانی می‌باشد. با استفاده از این روش مایع به آهستگی از درون شبکه جامد ژل خارج می‌شود بدون آنکه به این شبکه آسیبی برسد و در اثر نیروی مویینگی در هم بشکند. مثلاً، ژله خوراکی در اثر تبخیر معمولی دچار درهم‌شکستگی ساختار شبکه جامد می‌شود. نخستین نمونه‌های هواژل از ژل اکسید سیلیسیم ساخته شدند و هواژل سیلیسی نامیده شدند. بعدها، کیستلر هواژل‌هایی با پایه اکسید آلومینیم، کروم و قلع ساخت. هواژل‌های کربنی در اواخر دهه ۸۰ میلادی ساخته شدند

هواژل، سبک‌ترین ماده جامد شناخته شده در جهان است که چگالی سبک‌ترین نمونه ساخته شده از آن، تنها سه برابر هواست. ویژگی‌های منحصربه‌فرد این ماده آن را یکی از پرکاربردترین مواد به کار رفته در مأموریت‌های فضایی ساخته‌است. به عنوان نمونه، مسئولان ناسا از هواژل به منظور جلوگیری از یخ‌زدگی ربات مریخ‌نورد در شب‌های سیاره بهرام استفاده کردند. هم‌چنین این ماده برای گردآوری ذرات کیهانی در فضا بسیار مناسب است و در جریان مأموریت «استارداست» از آن برای جمع‌آوری مواد موجود در هاله پیرامون دنباله‌دار وایلد-۲ استفاده شد.

خواص[ویرایش]

خواص نوری:خواص نوری ایروژل ها به شرط تولید آنها بستگی دارد.این مواد در روشنایی به رنگ زرد ودر تاریکی آبی دیده می شود.روش های مختلف حذف آب یا رطوبت از ساختار ایروژل هاو شرلیط واکنش از جمله پارامتر های مهم و موثر در خاصیت نوری ایروژل هامطرح هستند.

خواص مکانیکی:شکنندگی انعطاف پذیری و پایداری ابعاد از جمله پارامتر های مهم در خواص مکانیکی ایروژل ها هستند.فشار الاستیک در ایروژل ها در حدود4-2درصدواستحکام کششی نیز در حدود 0.02N/mm2است.ایروژل هایی که از طریق کاتالیزور اسیدی یا خنثی تهیه میشوند نسبت به ایروژل هایی که به وسیله کاتالیزور بازی سنتز میشود دو برابر سفتی بیشتری دارند.

هدایت گرمایی:هدایت گرمایی ایروژل ها تابعی از پارامتر هایی است:1-انتقال گرما به وسیله فاز جامد 2-انتقال گرما به وسیله فاز گازی 3-انتقال گرما به وسیله بازتابش.

هدایت گرمایی فازجامد با افزایش چگالی افزایش می یابد.در حالی که هدایت گرمایی فاز گازی با افزایش چگالی کاهش می یابد و انتقال گرما از طریق تشعشع مستقل از چگالی ایروژل هاست.کمترین هدایت گرمایی ایروژل ها در چگالی0.15g/cm3 است.

دیواره های شفاف:ایروژل ها به شدت اشعه فرو سرخ راجذب می کنند و کمترین ضریب هدایت گرمایی در میان جامد ها را دارا می باشد که از آنها به عنوان یک عایق حرارتی شفاف استفاده می شود که مانعی برای انتقال نور خورشید و انتقال حرارت مناسب است.%91 از تابش ورودی در سطح زمین نهفته است که طول موج های 400-200 نانو متر می باشد که در آن شفافیت ایروژل ها کمتر از شیشه معمولی است.با این وجود در مقایسه با شیشه ایروژل ها یک عایق حرارتی منحصر به فردند که برای تجمع کارامد تر انرژی خورشیدی و حفظ گرمای ارائه شده از سیستم های گرمایشی استفاده می شوند.

کاربرد[ویرایش]

۱-عایق‌حرارتی:ایروژل هاکمترین مقدار هدایت گرمایی را نسبت به به دیگر عایق ها دارد.از جمله مزایای دیگر ایروژ ها آتش گیر نبودن آنهاست.این عایق ها در سیستم های گرمایشی و سرمایشی و باتریهای با کاربرد دمای بالا؛عایق لوله ها ؛مخازن تحت گرما و سرما لوله اگزوز ماشین به عنوان پوشش جاذب انرژی خورشید در سلول های خورشیدی جهت ذخیره سازی انرژی و... میتوانند به کار برده شوند.

۲-کاربرد های آکوستیک:ایروژل هاامپدانس آکوستیک بسیار پایینی دارند و به عنوان کاندیدای مناسبی برای ساخت تجهیزات جاذب صدا و ضربه مطرح هستند.کارایی عایق آکوستیکی کامپوزیت های سیلیکاایروژل محدوده فرکانس پایین بسیار عالی است.

۳-کاربردهای ساختمانی:ویژگی برجسته ی ایروژل ها باعث میشود تا در ساختمان ها نیز مورد استفاده قرار گیرند.هدایت گرمایی کم و شفافیت ایروژلها باعث میشود تا در سقف ها پنجره ها و پوشش های کلکتور خورشیدی کاربرد داشته باشد.ویژگی های صوتی ایروژل ها آنها را تبدیل به عایق های صوتی خوبی کرده است.صفحه ی ایروژل با پراکندگی بهبود قابل توجهی در خاصیت عایق صوتی نشان میدهد.بوراتی و مورتی با ترکیب چندین نوع شیشه با ایروژل ها گرانولی و یک پارچه هشت نمونه ساختند.نتایج نشان داد که انتقال نور ایروژل یکپارچه بهتر از ایروژل گرانولی است.هم چنین نشان داد که ایروژل گرانولی خاصیت عایق صوتی ساختمان را بهبود می بخشد.اندازه گیری های صوتی نشان داد که ضریب عایق صوتی Rبرای پنجره هایی که فضای میانی شان ایروژل است ۳دسی بل بیشتر از پنجره های مشابهی است که در فضای میانی شان هوا وجود دارد.جیبیات و همکارانش ویژگی های صوتی ایروژل سیلیسی استوانه ای را در محدوده ی شنوایی و ما فوق صوت مورد بررسی قرار دادند.اندازه گیری های سرعت برای فرکانس های ما فوق صوت پایین نشان دادند که ایروژل ها با چگالی کم میتوانند تضعیف غیر منتظره ای در باند های فرکانسی تعریف شده داشته باشد .اما اندازه گیری امپدانس صوتی نمونه ها در محدوده ی شنیداری نشان داد که نتایج وابسته به شکل هندسی یا شرایط مرزی اعمال شده ذر نمونه ها است.

۴-کاربرد کاتالیزوری:اکسید هایی که برای عملکرد کاتالیزوری مناسب باشد به فرم ایروژل میتوانند سنتز شوند.ایروژل ها به صورت پودر گرانول و ساختار مونولیت(این مونولیت که در واقع بستری با سطح ویژه زیاد برای قرار گیری مواد کاتالیزوری است معمولا به شکل استوانه ای با سطح مقطع دایره یا بیضی است)میتوانند تهیه شوند.کاربرد کاتالیزوری این ترکیبات از سال۱۹۷۴مورد تحقیق و بررسی بوده است.برخی از واکنش هایی که ایروژل ها نقش کاتالیزوری ایفا کرده است عبارت است از:نیترو اکسیداسیون هیدرو کربن ها به نیتریلها-هیدروژناسیون نیترو بنزن ها به انیلین وکاتالیزور احتراق در اگزوز اتومبیل.

۵-کاربرد های الکتریکی والکترونیکی:ایروژل های کربنی گزینه ی مناسبی جهت استفاده در ساختار الکترود های باطری ها و حسگر خازن ها هستند زیرا مقاومت الکتریکی پایینی از خودشان نشان میدهند.بالا بردن مساحت سطح در واحد حجم ایروژل ها باعث میشود تا بار الکتریکی بیشتری ذخیره شود و این عملکرد برای حسگر های خازن بسیار مناسب است.ایروژل های آلی و ایروژل های از نوع اکسید فلزی مواد بسیار مناسبی برای کاربرد های دی الکتریک پایین هستند و میتوان ازآنها در تهیه ی عایق های ولتاژ بالا استفاده نمود فیلم های ایروژل نیز برای ساخت میکرو الکترونیک ها مناسب هستند.خاصیت دی الکتریک پایین ایروژل ها باعث بالا رفتن سرعت مدارهای الکترونیکی میشود و همچنین ثابت دی الکتریک ایروژل ها قابل کنترل است زیرا با کنترل درجه تخلخل و چگالی این مواد میتوانند ثابت دی الکتریک را نیز به دلخواه تغییر داد.

۶-کاربر های اپتیکی:مکان استفاده از ایروژل ها در محدوده طول موج ۱۰۰-۲۰ نانو متر به عنوان فیلتر های نوری وجود دارد.همچنین درساختار لیزر ها و منابع نور رادیو لومینسانس نیز کاربرد دارد.فیلم های ایروژل میتوانند به عنوان پوشش اپتیک بر روی سلول های خورشیدی نصب شوند زیرا ضریب شکست پایینی دارند در ضمناین فیلم ها را به لایه خارجی فیبر های نوری نیز اعمال میکنند تا کارایی جذب نور و ضریب انتشار بهبود یابد.

تاریخچه[ویرایش]

اولین مورد از ایروژل ها به وسیله آقای StivenS.Kstlerدر دانشگاه pacific در کالیفرنا ساخته شد.در آن زمان سعی ایشان برای اثبات وجود شبکه های جامد درون ساختار ژل بود.یک روش برای اثبات نظریه برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بوده بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بوده است.اولین ژل های مورد استفاده به وسیله آقای Kistler سیلیکا ژل است که از فرایند تراکم سیلیکات سدیم در شرایط اسیدی تشکیل میشود.چند سال بعد آقای Kistler ایروژل خود را مشخصه سازی نمود و سپس موفق شد ایروژل های دیگری از جمله امینا اکسید تنگستن،اکسید آهن،اکسید قلع،نیکل تارتارات،سلولز،نیترات سلولزو...را بسازد.چند سال بعد وی از دانشگاه جدا شد و با شرکتی به نام Monsanto شروع به همکاری نمود.این شرکت بازار یابی خودرا در جهت فروش ایروژل آغاز نمود.در آن زمان ایروژل های ارائه شده از نوع سیلیکا بودند که بصورت گرانول به عنوان افزودنی یا عامل تیکسوتروپیک (به پدیده ی کاهش ویسکوزیته ی ظاهری سیالات تحت تنش برشی ثابت با گذشت زمان تیکسوتروپی گفته میشود) در لوازم آرایشی و خمیر دندان مورد استفاده قرار می گیرد.در سه دهه بعد اقدامات مهم و قابل توجهی روی ایروژل ها انجام نشد تا اینکه در سال 1960 با تولید ارزان سیلیکا به فرم بخار بازار ایروژل رو به کاهش گذاشت و شرکت Monsanta تولید ایروژل را متوقف کرد.ایروژل تا سال1970 به دست فراموشی سپرده شد.در سال1970 آقای Stanislaus teichner و همکارانش از دانشگاه Claud Bernard در لیوان فرانسه موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش Kistler برای تهیه ی ایروژل کشف کنند و آن راروش سل-ژل نامیدند.در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم که به وسیله Kistker استفاده می شد جایگزین شد. با این روش جدید پیشرفت هایی حاصل شد که عبارت است از:

1-اولین پایلوت ساخت سیلیکا ایروژل در دانشگاه Lund سوئد راه اندازی شد.

2-در سال 1980،آقای Larry Hrubesh و همکارانش در آزمایشگاه ملی لیورمور که وابسته به دانشگاه برکلی در آمریکاست،موفق به ساخت سیلیکا ایروژل با کمترین چگالی شدند.

3-در سال1983 Arlon Hunt و همکارانش در دانشگاه Berkeley توانستند تترا اتیل ارتوسیلیکات(TEOS)را جایگزین تترا متیل ارتو سیلیکات که سمی است نمایند.

4-در سال1981،آقای Rick Pekala از آز مایشگاه LLNT موغق به ساخت ایروژل های آلی با روش ساخت ایروژل های معدنی شدند.ایروژل های ملامین-فرمالدهید و رزور سینول-فرمالدئید نمونه هایی از ایروژل های آلی هستند.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  • مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Aerogel»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ۲۵ مارس ۲۰۱۱).

E.Cuce et al.Renewable and Sustainable Energy Reviews 34(2014)273-299

A.Michael Meador,Overview of Polymers Related Research at Glenn, Feb.12-17,(2007)

H.Arlon, A.Michael,Lawrence Berkeley Feb. (2009)،Laboratories:Microstructured Materials Group

A.Rigacci, Aerogel Materias for Super-insulation، 2 Symp. Nano in Constr،(2005).

پانویس[ویرایش]