مقدمه :

ساخت و بهبود مواد عايق از روزهاي نخستين پيشرفت و تکامل بشر ادامه داشته است . انسان هاي نخستين با پوست حيوانات گرمايش خود را تضمين مي کردند و مدت طولاني زمان برده تا انسان توانست منسوجات مصنوعي را توليد کند . امروزه نيز بشر به دنبال عايق هاي بهتر مي گردد . عايق هايي که با وزن و حجم کمتر اتلاف گرما را مينيمم کنند . ايرژل ( Aerogel ) يکي از فوق عايق هايي است که کاربردهاي فراوان در زمينه هاي مختلف دارد .
اميدوارم که با مطالعه اين مقاله ديد گسترده اي نسبت به اين ماده ي ارزشمند در پيش چشم شما باز شود.

تعريف ايرژل ( Aerogel ) :

ايرژل ( Aerogel ) يک ماده ي جامد و با دانسيته ي خيلي خيلي پايين است .
که از ژل مشتق مي شود . در ايرژل اجزاي مايع ژل با گاز جايگزين مي گردد و نتيجه ي کار ماده اي جامد با دانسيته ي پايين و داراي چندين خاصيت استثنايي است .
مهمترين خاصيت ايرژل عايق بودن آن است .
ايرژل با القاب دود فريز شده ( frezen smoke ) ، دود جامد ( solid smoke ) ، يا دود آبي ( blue smoke) شناخته مي شود . که علت اين نامگذاري به خاطر طبيعت نيمه شفاف اين ماده و نحوه ي تفرق نور در آن است .
ايرژل شبيه فوم استيرن ( styro foam) است .

تاريخچه :

استيون کياستلو ( steven kistler) در سال 1931 اين ماده را تهيه کرد . جالب است بدانيد که تهيه ي اين ماده نتيجه ي شرط بندي بين کيستلر و چارلز لرند ( charles learned) بود .
آن دو مي خواستند بدانند که چه کسي مي تواند مايع داخل يک ماده ي ژلاتيني ( ژل مانند ) را بدون اينکه انقباض پيدا کند با گاز جايگزين کند . اولين نتيجه ايرژل سيليکا ( silica aerogel) بود .
ايرژل را از مواد مختلفي مي توان تهيه کرد . کيستلر کار خود را بر روي سيليکا ( ) ، آلومينا ( ) کروميا ( ) و اکسيد قلع پايه گذاري کرد .
ايرژل کربن ( corbon aerogel) اولين بار در اوايل دهه ي 1990 توليد شد .

عکس 1: يک آجر 2/5 کيلوگرمي را مي توان تنها با 2/38 (گرم ) ايرژل جانشين کرد .

تعريف فني ( technical definition):

ايرژل طبقه اي از مواد مزوپورس با ساختار باز است . که بيش از 50 % حجمي آن را تخلخل تشکيل مي دهد . به طور نمونه ، ايرژل هايي که از 90 ـ 8/99% هوا تشکيل شده اند . با دامنه ي دانسيته ي 109 ـ 150 ميلي گرم بر سانتيمتر مکعب ساخته شده است .
نام ايرژل به ماده ي خاصي نسبت داده نمي شود . در حقيقت ايرژل ها از مواد گوناگون مانند : سيليکا ( ) ، آلومينا ( ) ، اکسيدهاي فلزاتي چون لانتانيدها مانند CdSe ، CdS ، پليمرهاي آلي و غير آلي و کربن تشکيل و تهيه مي شوند .
به هر حال کلمه ي « ايرژل » غالباً براي اشاره خاص به ايرژل سيليکا استفاده مي شود .

خواص ( property) :

عکس 2 : خواص عايق کاري ايرژل
ايرژل شبيه يک دود شفاف اما جامد و سفت است . چيزي بين فوم استيرن ( Styrofoam peanut) و فوم هاي فلورال سبز ( green floral foam) که براي نگه داشتن گلهاي مصنوعي استفاده مي شده است . بر خلاف برداشتي که از نام ايرژل مي شود اين ماده ماده اي کاملاً خشک است . و از لحاظ خواص فيزيکي شبيه ژل نيست . ( نام ايرژل از اين حقيقت مشتق گشته که اين ماده از ژل مشتق شده است ) . به عنوان مثال : فشار دادن به نرمي يک ايرژل برجستگي ايجاد نمي کند . فشار دادن محکم تر ايجاد يک فرورفتگي دائمي مي کند و فشار به اندازه ي کافي و محکم باعث يک شکستگي دامي و فاجعه مانند در ساختار پرآکنده مي شود و موجب شکستگي شبه شيشه اي در آن مي گردد . به اين خاصيت تردي ( friability ) گويند . بر خلاف اين حقيقت که ايرژل مستعد شکستن است از نظر ساختار خيلي قوي است و توانايي نگه داشتن 2000 برابر وزن خود را دارد .
ساختار ايرژل شبيه يک فرکتال است که تخلخل هايي کوچکتر از 100 نانومتر دارد . سايز متوسط و دانسيته تخلخل ها را در طي فرآيند تهيه مي توان کنترل کرد .
اينکه عايق حرارتي عالي است . به دليل اينکه اين ماده از سه حالت انتقال گرما جلوگيري مي کند . يعني ايرژل هم رسانايي کم دارد . هم از همرفت جلوگيري مي کند و هم به دليل ساختارش تابش را نيز کنترل مي کند .
به دليل اينکه هوا توانايي چرخش در ساختار ايرژل را ندارد انتقال گرما از طريق همرفت صورت نمي گيرد .
همچنين سيليکا به دليل نارسانايي خوب ، ايرژل هايي تهيه شده از سيليکا ( ) نارساناهاي خوبي اند . و از انتقال گرما به روش رسانش جلوگيري مي شود. البته ايرژل هاي فلزدار عايق هاي مناسبي نيستند .

عکس 3 : جمع آوري غبارات فضايي با بلوک هاي ايرژلي
ايرژل هاي کربن يک عايق مناسب در برابر تابش است . زيرا کربن مادون قرمز را جذب مي کند . بهترين ايرژل عايق ، ايرژل سيليکا است . که کربن به آن اضافه کرديم . به دليل طبيعت نم گير و ظاهر خشک آن اين ماده به عنوان عامل خشک کن مورد استفاده قرار مي گيرد .
ايرژل به خودي خود يک ماده ي هيدوفيل است . اما عوامل شيميايي آن را هيدورفوب مي کد . اگر ايرژل رطوبت جذب کند معمولاً تغييرات ساختاري مي دهد و منقبض مي شود .

انواع ( Types) :

ايرژل سيليکا ( silica aerogel ) :

ايرژل سيليکا معمولاً ساده ترين نوع ايرژل است . و به طور گسترده مورد مطالعه و تحقيق قرار گرفته است . اين ماده بر پايه ي سيليکا است . و از ژل سيليکا مشتق مي شود .
کم دانسيته ترين جامد جهان ايرژل سيليکا است . ( آخرين و سبک ترين نوع از اين جامد تنها دانسيته ي 1 الي ( ) آب دانسيته دارد ) .

عکس 4 : ايرژل عايقي فوق العاده

ايرژل آلومينا ( Alumina aerogels ) :

ايرژلي که به وسيله ي اکسيد آلومينيوم تهيه شود به ايرژل آلومينا معروف است . اين ايرژل براي کاربرد کاتاليزور مورد استفاده قرار مي يگرد . به خصوص هنگامي که يک فلز ذوب شده در آن استفاده شود . ايرژل نيکل ـ آومينا معمولي ترين ترکيب از اين گروه است .
ايرژل آلومينا همچنين به وسيله ي ناسا براي محاسبه ي سرعت ذرات سريع استفاده گشته است .

ايرژل هاي ديگر ( other aerogels) :

سي ژل ( SEA gel ) شبيه يک ايرژل آلي است که از آکار ( agar) ساخته مي شود .

استفاده ها ( uses) :

کاربردهاي متنوعي براي ايرژل ايجاد گشته است . به صورت تجاري ، ايرژل به صورت تکه هاي گر انول براي پنجره هاي سقفي در ماده هاي ديگر استفاده مي شود .
يک گروه تحقيقاتي ، پس از بررسي هاي مختلف ( گروه تحقيقاتي و ميت کامت Vomit Comet ) با روشهاي خاص ، با بهبود خواص نوري ، ايرژل شفاف ساختند .
ايرژل شفاف يک کاده ي مناسب براي مواد عايق کاري براي پنجره است . به خصوص که انتقال گرما را کاهش مي دهد .
به خاطر سطح زيادش کاربردهاي فراواني يافته است . به عنوان مثال : جاذب هاي شيميايي براي جمع آوري مايعات ريخته شده بر روي سطوح است . اين خاصيت همچنين پتانسيل بالايي به اين ماده مي دهد . مثلاً : به عنوان کاتاليزور يا محل کاتاليزور ( catalyst carrier ) استفاده مي گردد .
ذرات ايرژل همچنين استفاده مي شود به عنوان عامل زخيم کننده ( thichening agent ) در بعضي از رنگها و وسايل آرايشي .
توليدات تجاري پتوهاي ايرژل از سال 2000 آغاز شد . يک پتوي ايرژل يک کامپوزيت از ايرژل سيليکا و تقويت کننده هاي اليافي است . که ايرژل ترد را با با دوام مي کند . همچنين به آن خاصيت انعطاف پذير مي دهد .
خواص مکانيکي و گرمايي توليدات بر اساس انتخاب الياف تقيوت کننده متنوع مي گردد . همچنين ايرژل زمينه نيز بر اين خواص موثر است . اين خواص به مواد افزودني نيز وابسته اند .
ناساس ( NASA) از ايرژل براي تميز کردن اجزاي گرد و غبار فضايي روي سفينه هاي فضايي مورد استفاده کرد . اجزاء تحت ضربه و فشار بخار مي شوند . و از ميان گازها مي گذرد ، اما ايرژل گازها را در خود حبس مي کند . ناسا همچنين از ايرژل براي عايق حرارتي مارس روور ( Mars Rover ) و وسايل فضايي استفاده مي کند .
و ...
اين ماده همچنين در خازن ها استفاده مي شود که حجم خازن ساخته شده توسط اين ماده 2000 تا 5000 بار کوچکتر از مشابه آن با مواد ديگر است .
و ...

توليد ( production) :

ايرژل سيليکا به وسيه ي خشک کردن يک ترکيب کلوئيدي از سيليکا در يک محيط خاص توليد مي شود . به طور خاص ، پروسه به وسيله ي حل يک ماده ي مثلاً ( ) در يک الکل مثلاً اتانول آغاز مي شود . ( ايجاد يک ژل سيليکا ) سپس به وسيله ي يک پروسه اي که به خشک کردن فوق بحراني ( supercritical drying ) معروف است . الکل از ساختار ژل خارج شده و بدون ايجاد انقباض ساختار به حالت ايرژل در مي آيند . البته روشهاي متنوع و جالبي جديداً کشف شده است که با کاهش هزينه توليد ايرژل مقدور مي شود .

عکس 5 : خاصيت عايق کاري ايرژل

نتيجه گيري :

با توجه به رشد سريع مصرف انرژي و نياز به کاهش و صرفه جويي انرژي توليد مواد عايق بهبود يافته مد نظر قرار گرفته است . همچنين به خاطر کاربردهاي فوق العاده گسترده در زمينه هاي مختلف از جمله الکترونيک ، ساختماني و ... توليد اين ماده مي تواند سهم گسترده اي در زمينه ي پيشبرد اهداف دولت در زمينه ي صرفه جويي در مصرف انرژي است . همچنين از ايرژل براي توليد خازن هاي فوق العاده استفاده مي شود . ولي اينجانبان نتوانستند نحوه ي اين کار را در مقالات پيدا کنند . البته با توجه به اينکه اين ماده مي تواند شبيه يک ماده ي فروالکترويک عمل کند کار کردن بر روي ايرژل هايي که به وسيله ي فلزات دپ شده اند . ( آلياژ شده اند ) مي تواند ديد وسيعي نسبت به اين ماده ايجاد نمايد . البته بخش نتيجه گيري ، بخشي کاملاً تئوري است و پايه هاي علمي ندارد .
منبع: www.wikipedia.org
/خ