Aerogel có vẻ ngoài tuyệt đẹp.
Aerogel hay gel khí là một loại vật liệu được tạo ra vào cuối thập niên 20 của thế kỷ trước thông qua một vụ cá độ giữa hai nhà khoa học, đây có lẽ là loại vật chất độc đáo nhất trên hành tinh mà loài người từng biết. Nó là dạng hợp chất ở trạng thái rắn nhẹ nhất có thể tồn tại - thậm chí kỷ lục Guiness của thế giới cũng phải công nhận điều đó. Mặc dù rất nhẹ nhưng một vật làm bằng Aerogel có khả năng “cõng” một vật khác có trọng lượng gấp 500 đến 4.000 lần trọng lượng của nó.
1 inch khối (khoảng 16,3 ml) có thể dát mỏng và phủ lên toàn bộ một sân bóng đá. Nó cũng có khả năng cho không khí xuyên qua, chống cháy và có thể thấm cả dầu lẫn nước. Chưa hết, Aerogel vừa có thể làm dây dẫn điện vừa có thể trở thành một chất cách điện tốt nhất từ trước tới nay khi được pha trộn với một số vật liệu khác.
Với những khả năng phi thường đó, Aerogel xứng đáng được đứng trong nhóm A của danh sách những vật liệu tốt nhất hành tinh chúng ta.
2g Aerogel có khả năng "cõng" một cục gạch 2,5kg.
Điều không may đó là việc sản xuất những sản phẩm độc đáo thường tốn rất nhiều thời gian và tiền bạc, một phần là bởi mỗi lần như vậy chúng ta chỉ sản xuất được một số lượng rất nhỏ. Mặc dù các nhà sản xuất đã cố gắng tạo ra nhiều Aerogel hơn tại cùng một thời điểm nhưng mức giá của họ hiện nay khá đắt, khoảng 100 USD cho mỗi cm khối, tương đương 23.000 USD mỗi pound (khoảng 453,6 g) - đắt hơn cả vàng.
Một sản phẩm đắt giá thường nằm trong những chiếc hộp đẹp đẽ, thơm tho như một viên kim cương hay ngọc trai. Thế nhưng bạn rất có thể tìm sẽ tìm thấy Aerogel trong lớp cách điện của một tên lửa nào đó, điều này có vẻ như khiến nó không được hấp dẫn như vàng.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá điều mà đã làm cho Aerogel trở nên độc đáo từ khi được phát hiện ra ở California vào cuối thập niên 20 của thế kỷ trước cho đến khi nó bay vào không gian để thu thập bụi vũ trụ vào năm 1999. Chúng ta sẽ thấy được tương lai của Aerogel và cách để giảm giá thành loại vật chất đặc biệt này.
Một bông hoa nằm trên Aerogel vấn "khoe sắc" khi bị đốt ở nhiệt độ cao.
Lịch sử của Aerogel
Cũng giống như các loại truyền thuyết mà bạn từng đọc khác, truyền thuyết về Aerogel khá bí ẩn và thú vị. Tất cả những gì mà chúng ta biết đó là vào cuối những năm 1920, giáo sư hóa học người Mỹ có tên Samuel Kistler (1900 - 1975) đã có một cuộc cá độ với đồng nghiệp của mình là Charles Learned. Kistler tin rằng sẽ tồn tại một loại gel không lỏng (một đặc tính cố hữu của gel) với một cấu trúc vô cùng đặc biệt, đó là mạng lưới các lỗ chân lông vô cùng nhỏ được gọi là nanopore.
Sau khi thử nghiệm và gặp nhiều thất bại, cuối cùng thì Kistler đã trở thành người đầu tiên thay thế được trạng thái lỏng của gel thành trạng thái khí để tạo ra một loại gel mới không tồn tại ở trạng thái lỏng. Vào năm, 1931, ông đã công bố phát hiện của mình trong bài viết "Coherent Expanded Aerogels and Jellies", đăng trên tạp chí khoa học Nature.
Aerogel bắt đầu xuất hiện như một loại gel và được gọi là Alcogel - cái tên này ám chỉ gel silica (Silic điôxít) và các phân tửi rượu (Alcohol) nằm bên trong các lỗ chân lông của nó. Về cơ bản, chỉ cần cho rượu bay hơi khỏi silica là chúng ta sẽ tạo ra cấu trúc này, giống như chúng ta thổi không khí qua một miếng bọt biển thấm nước vậy, nó sẽ bị khô đi. Thay vì chỉ dựa trên sự bốc hơi, gel khô siêu tới hạn (Supercritically) được chế tạo qua các công đoạn như sau:
- Nhiệt độ và áp suất phải đạt đến điểm siêu tới hạn - ở mức mà không có sự khác biệt giữa chất lỏng và chất khí.
- Giảm áp suất trong khi nhiệt độ vẫn ở trên điểm tới hạn. Khi áp suất giảm, các phân tử được giải phóng dưới dạng khí và lỏng với mật độ không dày đặc
- Khử gel bằng nguồn nhiệt. Trước khi làm lạnh, sẽ có một lượng rượu nhỏ được ngưng tụ lại thành chất lỏng, sau đó sẽ được chuyển thành dạng hơi như ban đầu.
- Kiểm tra thành phẩm cuối cùng. Những gì còn lại sẽ là một chất rắn bằng silica, nhưng thay vì ở dạng lỏng thì nó lại chứa đầy không khí.
Phân loại Aerogel
Màu xanh kỳ ảo của Silica Aerogel.
Có ba loại Aerogel phổ biến nhất hiện nay đó là silica, carbon và oxit kim loại, tuy nhiên trong thử nghiệm lẫn thực tế thì silica vẫn thường được sử dụng hơn cả. Khi nhắc đến Aerogel, rất có thể người ta đang ám chỉ đến loại silica. Các bạn cũng không nên nhầm lẫn giữa silica và silicon, silica (silic điôxít) là loại vật liệu chủ yếu để sản xuất ra thủy tinh cách nhiệt còn silicon là một chất bán dẫn dùng trong các vi mạch.
Không giống như silica aerogel với biệt danh là khói xanh hay khói lạnh, khói rắn (do hình thù mờ ảo của nó), carbon aerogel có màu đen và khi sờ lên có cảm giác giống như đang sờ lên những hòn than. Chúng có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khả năng dẫn điện tốt. Các tính chất này làm cho aerogels carbon rất hữu ích đối với tụ điện, pin và hệ thống khử muối.
Carbon Aerogel (bên phải).
Aerogle ô xít kim loại làm từ ô xít kim loại và sử dụng như là chất xúc tác trong các phản ứng hóa học. Chúng cũng được ứng dụng trong ngành công nghiệp thuốc nổ, sợi nano carbon và thậm chí là để tạo ra từ tính. Aerogel oxit kim loại như sắt hay crom ngoài các tính chất tương tự người anh em silica phổ biến thì chúng còn có một điểm khác, đó là màu sắc rất đẹp. Aerogel crom có màu xanh lá cây hoặc xanh dương rất đậm; Aerogel oxit nhôm, titania, zirconia có màu xanh hoặc trắng; Aerogel oxit sắt có màu đỏ hoặc vàng đục; ngoài ra còn có màu tím hoa oải hương, màu vàng sáng, màu hồng phớt... Mỗi loại oxit kim loại sẽ tạo ra một loại màu khác nhau.
Aerogel silica có màu xanh da trời, màu này được tạo ra khi các ánh sáng trắng gặp các phân tử silica của aerogel và xảy ra hiện tượng tán xạ (Rayleigh). Các phân tử sẽ tán xạ ánh sáng, những tia sáng có bước sóng ngắn thì bị tán xạ dễ dàng hơn so với sóng dài. Bởi vì màu xanh và màu tím có bước sóng ngắn nhất nên chúng dễ bị tán xạ hơn các ánh sáng có thể nhìn thấy khác. Mặt khác, do mắt người nhạy cảm với các bước sóng màu xanh lam hơn nên chúng ta sẽ không thể nhìn thấy được màu tím.
Aerogel và ngành công nghiệp vũ trụ
Lưới lọc bụi vũ trụ làm bằng Aerogel của NASA.
Tính linh hoạt của aerogel đã làm cho chúng trở nên rất quan trọng ở trên trái đất lẫn ngoài không gian. Chúng đã hoàn thành một vài nhiệm vụ cho NASA, từ một thiết bị cách điện của tàu vũ trụ Mars cho đến các tấm lưới lọc bụi vũ trụ phát ra từ các sao chổi đang lao đi.
Sao chổi là các mẫu vật nguyên thủy được hình thành cùng với hệ mặt trời. Khi bay đi trong không gian, chúng sẽ để lại rất nhiều bụi. Các nhà khoa học hy vọng những hạt bụi này sẽ giúp chúng ta tìm hiểu về khởi nguồn của vũ trụ.
Ngoài ra, NASA cũng đã sử dụng Aerogel để làm kính cửa sổ, vỏ bọc cho các tàu thám hiểm như Mars Pathfinder, Mars Exploration Rovers và Stardust; chế tạo quần áo cách nhiệt cho phi hình gia; làm vỏ máy bay...
Ứng dụng Aerogel trong thực tế
Khi mới xuất hiện, Aerogel được ứng dụng ở trong mọi lĩnh vực mà con người có thể tưởng tượng ra, từ các sản phẩm trang điểm dành cho các quý bà điệu đà cho đến những thứ lãng mạn hơn như làm sơn cho... bom napan. Chúng cũng được sử dụng trong các đầu lọc thuốc lá hay bộ phận cách nhiệt cho tủ lạnh. Monsanto là thương hiệu đầu tiên trong thị trường thương mại của Aerogel.
Kỹ thuật sấy siêu tới hạn (supercritical drying) để điều chế aerogel của Kistler mặc dù rất hiệu quả nhưng lại tỏ ra nguy hiểm (do sử dụng nhiệt độ và áp suất cao) và rất tốn kém về mặt thời gian. Sau 30 năm sản xuất, đến cuối thập niên 70 tất cả yếu tố tiêu cực đó đã khiến Monsanto không tiếp tục đầu tư cho Aerogel.
Vẻ mặt phấn khởi của nhà khoa học Peter Tsou (Phòng thí nghiệm Jet Propulsion)
khi cầm trên tay Aerogel.
Tuy nhiên, đây không hẳn là dấu chấm hết cho Aerogel, bởi không lâu sau đó các nhà khoa học đã phát triển được một phương pháp sản xuất ít độc hại hơn bằng cách sử dụng hợp chất alkoxide (ancôxít). Họ cũng làm cho nó ít nguy hiểm hơn bằng cách thay thế rượu siêu tới hạn thành dioxide carbon siêu tới hạn. Với tiến bộ này, Aerogel tiếp tục được sống trong các lĩnh vực thương mại một lần nữa, và các nhà khoa học lại tiếp tục bị nó mê hoặc bởi những khả năng phi thường.
Khi quá trình sản xuất trở nên thân thiện và không còn nguy hiểm hay độc hại nữa thì Aecogel ngày càng trở nên phổ biến hơn trong các ngành công nghiệp. Các nhà sản xuất silicon, vật liệu xây dựng và các cơ quan không gian đều sử dụng nó. Tính phổ biến của nó chỉ bị cản trở bởi giá cả, mặc dù đã có những bước tiến dài để giảm chi phí sản xuất. Hiện tại, Aerogel có thể được tìm thấy trong các lĩnh vực như:
- Sản xuất đồ bơi.
- Quần áo dành cho lính cứu hỏa.
- Cửa kính.
- Tên lửa.
- Sơn.
- Mỹ phẩm.
- Vũ khí hạt nhân.
Tương lai của Aerogel
Silica gel, nguyên liệu phổ biến để chế tạo Aerogel.
Sản xuất Aerogel là rất tốn kém và các nhà nghiên cứu vẫn đang tiến hành những thử nghiệm nhằm làm cho nó trở nên mạnh mẽ, rẻ và ít nguy hiểm hơn. Ví dụ như vào năm 2002, giáo sư Nicholas Leventis của đại học Khoa học và công nghệ Missouri đã khiến cả thế giới ngạc nhiên khi công bố rằng ông đã phát triển thành công một phương pháp mới, làm cho Aerogel không giòn như trước. Loại vật liệu này được biết đến như là x-aerogel, nó không chỉ mạnh mẽ hơn mà còn rất linh hoạt, không thấm nước và chịu được lực tác động rất lớn. Nhược điểm của x -aerogel là quy trình sản xuất đòi hỏi nhiều hóa chất nguy hiểm, mất nhiều thời gian và các hóa chất này cũng làm giảm một phần khả năng cách nhiệt. Mặc dù vậy, x-aerogel vẫn được ứng dụng trong các lĩnh vực như:
- Cửa sổ ở trên mái nhà.
- Áo giáp.
- Lốp xe chống xì hơi (Run-Flat).
- Màng tế bào điện hóa.
- Một số thành phần của máy bay.
- Lá chắn nhiệt cho tàu vũ trụ.
Một tin tốt là bạn cũng có thể tự tạo ra Aerogel để sử dụng bằng cách tải các tài liệu cần thiết từ aerogel.org, sử dụng một nồi hấp siêu tới hạn và cả lòng dùng cảm nữa. Nếu có hứng thú thì hãy viết di chúc và thử xem ^^
Một vàithông tin thú vị về Aerogel Silica :
- Giữ 15 mục trong sách kỷ lục Guinness cho các thuộc tính vật chất, điển hình là nhẹ nhất, rắn nhất, cách điện tốt nhất và mật độ vật chất thấp nhất.
- 90% thể tích là không khí.
- Nặng hơn không khí 3 lần và nhẹ hơn thủy tinh 1.000 lần.
Nguồn:
Mã:
http://science.howstuffworks.com/aerogel.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel
http://en.wikipedia.org/wiki/Silica
http://en.wikipedia.org/wiki/Samuel_Stephens_Kistler
http://www.aerogel.org
Chỉnh sửa lần cuối:
