به گزارش ثریا - هواژل‌ها(Aerogels) دسته‌ای پیشرفته از مواد هستند که تا ۹۹.۸ درصد از هوا تشکیل شده‌اند. آنها از سبک‌ترین مواد جامد روی زمین هستند و هواژل‌های مبتنی بر سیلیس برخی از بهترین نمونه‌ها را نشان می‌دهند. به شکل ویژه، هواژل‌های گرافنی می‌توانند به چگالی‌هایی تا ۰.۱۶ کیلوگرم بر متر مکعب برسند که حدود ۷.۵ برابر سبک‌تر از هواست.

هواژل یک ماده تولیدی است که کمترین چگالی را در میان مواد جامد دارد. این ماده از یک ژل به دست می‌آید که در آن قسمت مایع ژل با گاز جایگزین می‌شود. نتیجه این فرآیند، 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 یا دود آبی نیز شناخته می‌شود که این نام‌گذاری‌ها به دلیل ظاهر شفاف و نیز نحوه پخش نور در این ماده است.

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

فرآیند 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 نیز 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 ساخته‌ است. به عنوان نمونه، مسئولان ناسا از هواژل به منظور جلوگیری از یخ‌زدگی ربات مریخ‌نورد در شب‌های سرد سیاره مریخ 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.

هواژل‌ها که اغلب «دود یخ‌زده» یا «ابرهای جامد» نامیده می‌شوند، این لقب‌ها را مدیون ظاهر نیمه‌شفاف و چگالی بسیار کم خود هستند. با وجود این، آنها از نظر مکانیکی نسبت به وزن خود مقاوم و بسیار متخلخل هستند و برخی از انواع آنها قادر به جذب روغن تا ۹۰۰ برابر وزن خود هستند.

همانطور که گفته شد، هواژل‌ها اختراع جدیدی نیستند. آنها اولین بار در سال ۱۹۳۱ توسط ساموئل کیستلر، دانشمند و مهندس شیمی آمریکایی در کالج پاسیفیک کالیفرنیا، پس از نشان دادن اینکه می‌توان مایع را بدون فروپاشی چارچوب جامد ژل از آن خارج کرد، ساخته شدند.

از آن زمان، هواژل‌ها در ماموریت‌های فضایی، ساخت و ساز، سیستم‌های انرژی و همچنین عایق‌های صنعتی کاربرد پیدا کرده‌اند.

هواژل‌ها به طور پیوسته در حال شکل دادن به طرز فکر مهندسان در مورد مواد سبک و با کارایی بالا هستند.

نحوه ساخت هواژل‌ها

هواژل‌ها از ژل‌هایی ساخته می‌شوند که در آنها جزء مایع با گاز جایگزین می‌شود. فرآیند تولید با یک پیش‌ساز ژل آغاز می‌شود که تحت هیدرولیز و تراکم قرار می‌گیرد، واکنش‌هایی که هسته‌زایی مولکولی را آغاز کرده و ذرات کلوئیدی ریز تشکیل می‌دهند.

این سوسپانسیون‌ها که سل(sol) نامیده می‌شوند، با پیوند ذرات به واکنش ادامه می‌دهند. هنگامی که تراکم بین ذرات رخ می‌دهد، نانوذرات پراکنده در یک ژل نیمه جامد قفل می‌شوند. هنگامی که سیستم به نقطه ژل می‌رسد، ساختار به یک ژل مرطوب جامد تبدیل می‌شود که مایع در منافذ آن به دام می‌افتد.

در این مرحله، ماده می‌تواند شکل خود را حفظ کند، اما منافذ آن کاملاً با مایع پر شده‌اند. اندازه و اتصال این منافذ، معمولاً در حدود چند تا ده‌ها نانومتر، در این مرحله تعریف می‌شوند که می‌توان آنها را از طریق شرایط پردازش دقیقاً کنترل کرد.

اگر ژل در آب تشکیل شود، به آن «هیدروژل» می‌گویند. از آنجایی که آب را نمی‌توان بدون فروپاشی ساختار منافذ به طور ایمن حذف کرد، ابتدا باید با یک حلال آلی مبادله شود.

همچنین اگر ژل مستقیماً در یک حلال مبتنی بر الکل تشکیل شود، به عنوان یک «الکلوژل» شناخته می‌شود و می‌تواند مستقیماً به خشک شدن ادامه دهد.

آخرین و مهم‌ترین مرحله، خشک کردن فوق بحرانی(SCD) است. حلال درون ژل به بالاتر از دما و فشار بحرانی خود آورده می‌شود. دیگر مانند یک مایع یا گاز مجزا رفتار نمی‌کند. در این شرایط فوق بحرانی، کشش سطحی به طور مؤثر از بین می‌رود. این امر به حلال اجازه می‌دهد بدون کشیدن شبکه جامد شکننده، حذف شود.

پس از کاهش فشار بالاتر از دمای بحرانی، حلال به صورت گاز از ساختار خارج می‌شود. این فرآیند منجر به تولید هواژل می‌شود، یک جامد فوق سبک که عمدتاً از هوا ساخته شده و شبکه منافذ نانومقیاس آن دست نخورده باقی مانده است.

انواع هواژل‌ها

هواژل‌ها را می‌توان به چندین روش طبقه‌بندی کرد. از نظر ظاهری، آنها به صورت مونولیت، پودر و غشاء طبقه‌بندی می‌شوند. بر اساس ریزساختار می‌توانند ریزمتخلخل (با قطر کمتر از دو نانومتر)، مزومتخلخل (با قطر بین دو تا ۵۰ نانومتر) یا هواژل‌های با تخلخل مختلط باشند.

با این حال، در عمل، هواژل‌ها اغلب بر اساس ترکیب موادشان طبقه‌بندی می‌شوند. هواژل‌ها بر اساس ساختار شیمیایی‌شان، معمولاً به سه دسته کلی هواژل‌های معدنی، آلی و کامپوزیتی تقسیم می‌شوند.

هواژل‌های معدنی شامل هواژل‌های سیلیس پرکاربرد و همچنین هواژل‌های اکسید فلزی و کالکوژنیدی هستند. آنها معمولاً از پیش‌سازهای معدنی مانند آلکوکسیدهای فلزی یا نمک‌های فلزی تولید می‌شوند.

در همین حال، هواژل‌های آلی از پیش‌سازهای مبتنی بر کربن یا پلیمر ساخته می‌شوند و شامل هواژل‌های کربنی، شبکه‌های نانولوله کربنی، هواژل‌های گرافنی و هواژل‌های پلیمری تشکیل شده از رزین‌هایی مانند فنل-فرمالدئید هستند.

در مقابل، هواژل‌های کامپوزیتی، سیستم‌های مواد متعددی را ترکیب می‌کنند و منجر به ساختارهایی مانند هواژل‌های اکسید مخلوط، هیبریدهای چارچوب آلی فلزی هواژل‌(MOF)، هواژل‌های مبتنی بر MXene و سایر موادی می‌شوند که با ادغام اجزای معدنی و آلی ایجاد می‌شوند.

چرا هواژل‌ها عایق‌های استثنایی هستند؟

هواژل‌ها به طور گسترده به عنوان بهترین عایق‌های حرارتی جامد جهان در نظر گرفته می‌شوند. دلیل این امر این است که ساختار داخلی آنها هر سه مکانیسم اساسی انتقال حرارت شامل رسانایی، همرفت و تابش را سرکوب می‌کند.

منافذ نانومقیاس هواژل‌ها از میانگین مسیر آزاد مولکول‌های هوا کوچکتر هستند. آنها با محدود کردن برخورد بین مولکول‌ها، رسانایی حرارتی فاز گاز را تا حد زیادی محدود می‌کنند. اندازه بسیار کوچک منافذ همچنین از حرکت گاز به صورت فله‌ای جلوگیری می‌کند. بنابراین، به طور مؤثری انتقال حرارت همرفتی را در داخل ماده از بین می‌برد.

رسانایی گرما از طریق فاز جامد نیز حداقل است، زیرا ستون فقرات جامد یک هواژل‌ فوق‌العاده نازک و ناپیوسته است. این امر فونون‌ها، ارتعاشات جمعی کوانتیزه شده اتم‌ها در یک شبکه کریستالی سفت و سخت که به عنوان شبه ذرات عمل می‌کنند را مجبور می‌کند تا از مسیری بسیار پر پیچ و خم عبور کنند.

در نتیجه، هواژل‌ها به برخی از پایین‌ترین مقادیر رسانایی حرارتی هر ماده جامد (12-15 میلی‌وات بر متر مکعب کلوین) می‌رسند که چندین برابر کمتر از مواد عایق معمولی است.

ماهیت آبگریز آنها همچنین آنها را در برابر رطوبت مقاوم می‌کند. این به آنها اجازه می‌دهد تا عملکرد عایق را در شرایط سخت یا شدید حفظ کنند.

کاربردهای هواژل‌ها

هواژل‌ها مهم هستند، زیرا آنها یک روش کاملاً جدید برای مهندسی فضای خالی را نشان می‌دهند.

مهندسان با کنترل ساختار در مقیاس نانومتر، می‌توانند گرما، حرکت و جریان انرژی را به روش‌هایی که مواد کلاسیک هرگز نمی‌توانستند، سرکوب کنند.

به همین دلیل است که هواژل‌ها در بسیاری از صنایع استفاده می‌شوند. در ساختمان‌ها، پنل‌های هواژل فوق‌العاده نازک، عایق با کارایی بالا را در جایی که فضا محدود است، فراهم می‌کنند که شامل مقاوم‌سازی‌های تاریخی نیز می‌شود.

در همین حال، آنها در خطوط لوله نفت و گاز، پایداری حرارتی را در دماها و فشارهای شدید حفظ می‌کنند و به لطف ساختار ریز متخلخل سه‌بعدی خود، همچنین توانایی فوق‌العاده‌ای در جذب مستقیم CO2 از خود نشان می‌دهند.

علاوه بر این، ناسا از هواژل‌ها برای کاربردهای برودتی مانند وسایل نقلیه پرتابی، کاربردهای شاتل فضایی، تجهیزات پشتیبانی از حیات و غرفه‌های آزمایش موتور موشک استفاده کرده است. آنها همچنین برای جذب گرد و غبار کیهانی با سرعت بالا مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

اخیراً هواژل‌ها وارد وسایل نقلیه الکتریکی (EV) و ذخیره‌سازی انرژی نیز شده‌اند؛ جایی که به مدیریت گرمای باتری و کاهش خطر آتش‌سوزی بدون افزایش وزن کمک می‌کنند.

معایب و تحقیقات مداوم

با وجود خواص استثنایی هواژل‌ها، آنها بدون محدودیت نیستند. به عنوان مثال، هواژل‌های سیلیسی، شکننده هستند و می‌توانند تحت فشار مکانیکی بشکنند. این امر کاربردهای ساختاری آنها را محدود می‌کند.

در عین حال، تولید آنها ارزان نیست. آنها اغلب می‌توانند 10 تا 100 برابر بیشتر از مواد عایق سنتی مانند فوم یا فایبرگلاس هزینه داشته باشند، زیرا خشک کردن فوق بحرانی به انرژی بالا و تجهیزات تخصصی نیاز دارد.

همزمان، برخی از هواژل‌ها به رطوبت حساس هستند، مگر اینکه سطح آنها اصلاح شده باشد که می‌تواند به خواص عایق حرارتی آنها آسیب برساند و عملکرد آنها را به مرور زمان کاهش دهد.

با این حال، محققان چینی در مؤسسه علوم فیزیکی هفی(Hefei) اخیراً با افزودن مقادیر کمی زیرکونیا(ZrO2) به الیاف سیلیس، عملکرد هواژل را افزایش داده‌اند. آنها همچنین هواژل‌های سدیم آلژینات زیست‌توده را توسعه داده‌اند که می‌توانند بیش از ۲۶۰۰ برابر وزن خود را تحمل کنند.

در همین حال، دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور(Lawrence Livermore) با استفاده از نوشتن مستقیم با جوهر، ریزشبکه‌های هواژل‌ گرافن چاپ سه‌بعدی ایجاد کردند. این ساختار به طور قابل توجهی مساحت سطح، رسانایی الکتریکی، انتقال جرم و عملکرد مکانیکی را بهبود می‌بخشد.

با قوی‌تر، ارزان‌تر و آسان‌تر شدن تولید هواژل‌ها، استفاده از آنها در دنیای واقعی همچنان در حال گسترش است و کاربردهای نوظهوری در منسوجات پوشیدنی، جمع‌آوری آب، دستگاه‌های انتقال حرارت پیشرفته، ماهیچه‌های مصنوعی و ذخیره‌سازی داده‌ها دارند.

منبع : هواژل