مقدمه :

ساخت و بهبود مواد عایق از روزهای نخستین پیشرفت و تکامل بشر ادامه داشته است . انسان های نخستین با پوست حیوانات گرمایش خود را تضمین می کردند و مدت طولانی زمان برده تا انسان توانست منسوجات مصنوعی را تولید کند . امروزه نیز بشر به دنبال عایق های بهتر می گردد . عایق هایی که با وزن و حجم کمتر اتلاف گرما را مینیمم کنند . ایرژل ( Aerogel ) یکی از فوق عایق هایی است که کاربردهای فراوان در زمینه های مختلف دارد .
امیدوارم که با مطالعه این مقاله دید گسترده ای نسبت به این ماده ی ارزشمند در پیش چشم شما باز شود.

تعریف ایرژل ( Aerogel ) :

ایرژل ( Aerogel ) یک ماده ی جامد و با دانسیته ی خیلی خیلی پایین است .
که از ژل مشتق می شود . در ایرژل اجزای مایع ژل با گاز جایگزین می گردد و نتیجه ی کار ماده ای جامد با دانسیته ی پایین و دارای چندین خاصیت استثنایی است .
مهمترین خاصیت ایرژل عایق بودن آن است .
ایرژل با القاب دود فریز شده ( frezen smoke ) ، دود جامد ( solid smoke ) ، یا دود آبی ( blue smoke) شناخته می شود . که علت این نامگذاری به خاطر طبیعت نیمه شفاف این ماده و نحوه ی تفرق نور در آن است .
ایرژل شبیه فوم استیرن ( styro foam) است .

تاریخچه :

استیون کیاستلو ( steven kistler) در سال 1931 این ماده را تهیه کرد . جالب است بدانید که تهیه ی این ماده نتیجه ی شرط بندی بین کیستلر و چارلز لرند ( charles learned) بود .
آن دو می خواستند بدانند که چه کسی می تواند مایع داخل یک ماده ی ژلاتینی ( ژل مانند ) را بدون اینکه انقباض پیدا کند با گاز جایگزین کند . اولین نتیجه ایرژل سیلیکا ( silica aerogel) بود .
ایرژل را از مواد مختلفی می توان تهیه کرد . کیستلر کار خود را بر روی سیلیکا ( ) ، آلومینا ( ) کرومیا ( ) و اکسید قلع پایه گذاری کرد .
ایرژل کربن ( corbon aerogel) اولین بار در اوایل دهه ی 1990 تولید شد .

عکس 1: یک آجر 2/5 کیلوگرمی را می توان تنها با 2/38 (گرم ) ایرژل جانشین کرد .

تعریف فنی ( technical definition):

ایرژل طبقه ای از مواد مزوپورس با ساختار باز است . که بیش از 50 % حجمی آن را تخلخل تشکیل می دهد . به طور نمونه ، ایرژل هایی که از 90 ـ 8/99% هوا تشکیل شده اند . با دامنه ی دانسیته ی 109 ـ 150 میلی گرم بر سانتیمتر مکعب ساخته شده است .
نام ایرژل به ماده ی خاصی نسبت داده نمی شود . در حقیقت ایرژل ها از مواد گوناگون مانند : سیلیکا ( ) ، آلومینا ( ) ، اکسیدهای فلزاتی چون لانتانیدها مانند CdSe ، CdS ، پلیمرهای آلی و غیر آلی و کربن تشکیل و تهیه می شوند .
به هر حال کلمه ی « ایرژل » غالباً برای اشاره خاص به ایرژل سیلیکا استفاده می شود .

خواص ( property) :

عکس 2 : خواص عایق کاری ایرژل
ایرژل شبیه یک دود شفاف اما جامد و سفت است . چیزی بین فوم استیرن ( Styrofoam peanut) و فوم های فلورال سبز ( green floral foam) که برای نگه داشتن گلهای مصنوعی استفاده می شده است . بر خلاف برداشتی که از نام ایرژل می شود این ماده ماده ای کاملاً خشک است . و از لحاظ خواص فیزیکی شبیه ژل نیست . ( نام ایرژل از این حقیقت مشتق گشته که این ماده از ژل مشتق شده است ) . به عنوان مثال : فشار دادن به نرمی یک ایرژل برجستگی ایجاد نمی کند . فشار دادن محکم تر ایجاد یک فرورفتگی دائمی می کند و فشار به اندازه ی کافی و محکم باعث یک شکستگی دامی و فاجعه مانند در ساختار پرآکنده می شود و موجب شکستگی شبه شیشه ای در آن می گردد . به این خاصیت تردی ( friability ) گویند . بر خلاف این حقیقت که ایرژل مستعد شکستن است از نظر ساختار خیلی قوی است و توانایی نگه داشتن 2000 برابر وزن خود را دارد .
ساختار ایرژل شبیه یک فرکتال است که تخلخل هایی کوچکتر از 100 نانومتر دارد . سایز متوسط و دانسیته تخلخل ها را در طی فرآیند تهیه می توان کنترل کرد .
اینکه عایق حرارتی عالی است . به دلیل اینکه این ماده از سه حالت انتقال گرما جلوگیری می کند . یعنی ایرژل هم رسانایی کم دارد . هم از همرفت جلوگیری می کند و هم به دلیل ساختارش تابش را نیز کنترل می کند .
به دلیل اینکه هوا توانایی چرخش در ساختار ایرژل را ندارد انتقال گرما از طریق همرفت صورت نمی گیرد .
همچنین سیلیکا به دلیل نارسانایی خوب ، ایرژل هایی تهیه شده از سیلیکا ( ) نارساناهای خوبی اند . و از انتقال گرما به روش رسانش جلوگیری می شود. البته ایرژل های فلزدار عایق های مناسبی نیستند .

عکس 3 : جمع آوری غبارات فضایی با بلوک های ایرژلی
ایرژل های کربن یک عایق مناسب در برابر تابش است . زیرا کربن مادون قرمز را جذب می کند . بهترین ایرژل عایق ، ایرژل سیلیکا است . که کربن به آن اضافه کردیم . به دلیل طبیعت نم گیر و ظاهر خشک آن این ماده به عنوان عامل خشک کن مورد استفاده قرار می گیرد .
ایرژل به خودی خود یک ماده ی هیدوفیل است . اما عوامل شیمیایی آن را هیدورفوب می کد . اگر ایرژل رطوبت جذب کند معمولاً تغییرات ساختاری می دهد و منقبض می شود .

انواع ( Types) :

ایرژل سیلیکا ( silica aerogel ) :

ایرژل سیلیکا معمولاً ساده ترین نوع ایرژل است . و به طور گسترده مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته است . این ماده بر پایه ی سیلیکا است . و از ژل سیلیکا مشتق می شود .
کم دانسیته ترین جامد جهان ایرژل سیلیکا است . ( آخرین و سبک ترین نوع از این جامد تنها دانسیته ی 1 الی ( ) آب دانسیته دارد ) .

عکس 4 : ایرژل عایقی فوق العاده

ایرژل آلومینا ( Alumina aerogels ) :

ایرژلی که به وسیله ی اکسید آلومینیوم تهیه شود به ایرژل آلومینا معروف است . این ایرژل برای کاربرد کاتالیزور مورد استفاده قرار می یگرد . به خصوص هنگامی که یک فلز ذوب شده در آن استفاده شود . ایرژل نیکل ـ آومینا معمولی ترین ترکیب از این گروه است .
ایرژل آلومینا همچنین به وسیله ی ناسا برای محاسبه ی سرعت ذرات سریع استفاده گشته است .

ایرژل های دیگر ( other aerogels) :

سی ژل ( SEA gel ) شبیه یک ایرژل آلی است که از آکار ( agar) ساخته می شود .

استفاده ها ( uses) :

کاربردهای متنوعی برای ایرژل ایجاد گشته است . به صورت تجاری ، ایرژل به صورت تکه های گر انول برای پنجره های سقفی در ماده های دیگر استفاده می شود .
یک گروه تحقیقاتی ، پس از بررسی های مختلف ( گروه تحقیقاتی و میت کامت Vomit Comet ) با روشهای خاص ، با بهبود خواص نوری ، ایرژل شفاف ساختند .
ایرژل شفاف یک کاده ی مناسب برای مواد عایق کاری برای پنجره است . به خصوص که انتقال گرما را کاهش می دهد .
به خاطر سطح زیادش کاربردهای فراوانی یافته است . به عنوان مثال : جاذب های شیمیایی برای جمع آوری مایعات ریخته شده بر روی سطوح است . این خاصیت همچنین پتانسیل بالایی به این ماده می دهد . مثلاً : به عنوان کاتالیزور یا محل کاتالیزور ( catalyst carrier ) استفاده می گردد .
ذرات ایرژل همچنین استفاده می شود به عنوان عامل زخیم کننده ( thichening agent ) در بعضی از رنگها و وسایل آرایشی .
تولیدات تجاری پتوهای ایرژل از سال 2000 آغاز شد . یک پتوی ایرژل یک کامپوزیت از ایرژل سیلیکا و تقویت کننده های الیافی است . که ایرژل ترد را با با دوام می کند . همچنین به آن خاصیت انعطاف پذیر می دهد .
خواص مکانیکی و گرمایی تولیدات بر اساس انتخاب الیاف تقیوت کننده متنوع می گردد . همچنین ایرژل زمینه نیز بر این خواص موثر است . این خواص به مواد افزودنی نیز وابسته اند .
ناساس ( NASA) از ایرژل برای تمیز کردن اجزای گرد و غبار فضایی روی سفینه های فضایی مورد استفاده کرد . اجزاء تحت ضربه و فشار بخار می شوند . و از میان گازها می گذرد ، اما ایرژل گازها را در خود حبس می کند . ناسا همچنین از ایرژل برای عایق حرارتی مارس روور ( Mars Rover ) و وسایل فضایی استفاده می کند .
و ...
این ماده همچنین در خازن ها استفاده می شود که حجم خازن ساخته شده توسط این ماده 2000 تا 5000 بار کوچکتر از مشابه آن با مواد دیگر است .
و ...

تولید ( production) :

ایرژل سیلیکا به وسیه ی خشک کردن یک ترکیب کلوئیدی از سیلیکا در یک محیط خاص تولید می شود . به طور خاص ، پروسه به وسیله ی حل یک ماده ی مثلاً ( ) در یک الکل مثلاً اتانول آغاز می شود . ( ایجاد یک ژل سیلیکا ) سپس به وسیله ی یک پروسه ای که به خشک کردن فوق بحرانی ( supercritical drying ) معروف است . الکل از ساختار ژل خارج شده و بدون ایجاد انقباض ساختار به حالت ایرژل در می آیند . البته روشهای متنوع و جالبی جدیداً کشف شده است که با کاهش هزینه تولید ایرژل مقدور می شود .

عکس 5 : خاصیت عایق کاری ایرژل

نتیجه گیری :

با توجه به رشد سریع مصرف انرژی و نیاز به کاهش و صرفه جویی انرژی تولید مواد عایق بهبود یافته مد نظر قرار گرفته است . همچنین به خاطر کاربردهای فوق العاده گسترده در زمینه های مختلف از جمله الکترونیک ، ساختمانی و ... تولید این ماده می تواند سهم گسترده ای در زمینه ی پیشبرد اهداف دولت در زمینه ی صرفه جویی در مصرف انرژی است . همچنین از ایرژل برای تولید خازن های فوق العاده استفاده می شود . ولی اینجانبان نتوانستند نحوه ی این کار را در مقالات پیدا کنند . البته با توجه به اینکه این ماده می تواند شبیه یک ماده ی فروالکترویک عمل کند کار کردن بر روی ایرژل هایی که به وسیله ی فلزات دپ شده اند . ( آلیاژ شده اند ) می تواند دید وسیعی نسبت به این ماده ایجاد نماید . البته بخش نتیجه گیری ، بخشی کاملاً تئوری است و پایه های علمی ندارد .
منبع: www.wikipedia.org
/خ