آیروژل سیلیکا و کاربردهای آن

آیروژل از دو واژه «هوا» و «ژل» تشکیل شده است و سبک‌ترین و کم‌چگالی‌ترین جامد شناخته‌شده می‌باشد که حدود ۵۰ تا ۹۹.۵ درصد حجم آن را هوا تشکیل می‌دهد. در مفهوم کلی، آیروژل یک ماده بسیار سبک و متخلخل با دانسیته و هدایت حرارتی پایین است که از یک ژل مشتق می‌شود. در فرآیند سنتز آیروژل، فاز مایع ژل با فاز گاز (هوا) جایگزین می‌شود. اولین آیروژل سنتزشده، آیروژل سیلیکا بود که در سال ۱۹۳۱ توسط کیستلر معرفی گردید. آیروژل‌ها معمولاً فاقد نظم کریستالی در ساختار خود هستند و ساختاری آمورف دارند. حفره‌های آیروژل‌ها دارای ابعاد نانومتری می‌باشند. آیروژل‌ها با عناوینی نظیر «دود فریزشده»، «دود جامد» و «دود آبی» شناخته می‌شوند که این نام‌گذاری به ماهیت نیمه‌شفاف این ماده و نحوه تفرق نور در آن برمی‌گردد.

آیروژل‌ها از مواد مختلفی نظیر سیلیکا، آلومینا، اکسیدهای فلزاتی مانند لانتانیدها، پلیمرهای آلی و کربن تشکیل می‌شوند. بر این مبنا، آیروژل‌ها به چهار دسته اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند:

آیروژل‌های معدنی، نظیر سیلیکا آیروژل و آلومینا آیروژل

آیروژل‌های آلی

آیروژل‌های کربنی

آیروژل‌های هیبریدی

آیروژل‌ها از خواص منحصربه‌فردی برخوردار هستند که می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

هدایت حرارتی: آیروژل‌ها یکی از بهترین عایق‌های حرارتی شناخته‌شده هستند که این ویژگی از ساختار متخلخل آن‌ها و محدود بودن مکانیزم‌های انتقال حرارت ناشی می‌شود.

آب‌دوستی و آب‌گریزی: ذرات آیروژل دارای تعداد زیادی از گروه‌های هیدروکسیل در سطح خود هستند. وجود این گروه‌های عاملی منجر به ماهیت آب‌دوست آیروژل‌ها و انحلال سریع آن‌ها در آب می‌شود. بنابراین، به‌منظور آب‌گریز کردن آیروژل‌ها لازم است که گروه‌های هیدروکسیل سطحی را با گروه‌های غیرقطبی آلیفاتیک جایگزین کرد.

خواص مکانیکی: از ویژگی‌های اصلی آیروژل‌ها، سبکی و تردی آن‌ها است. در عین حال، استحکام آن‌ها به حدی است که قابلیت حمل با دست را دارا هستند. خواص مکانیکی آیروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط ساختاری آن‌ها، نظیر میزان به‌هم‌پیوستگی حفرات و چگالی آن‌ها، بستگی دارد. در مجموع، مقاومت فشاری، کششی و الاستیسیته این مواد بسیار پایین است.

با توجه به مطالب مذکور، آیروژل‌ها به دلیل تخلخل بالا، ساختار نانومتری و مساحت سطح داخلی بالا، دارای خواص منحصربه‌فردی هستند و این موضوع منجر به کاربرد گسترده این مواد در زمینه‌های گوناگون، نظیر عایق‌های حرارتی، عایق‌های صوتی، باتری‌ها، الکترود در ساختار خازن‌ها، مواد دی‌الکتریک، کاتالیست‌ها، حسگرها و ذخیره‌کننده انرژی شده است. در ادامه، به بررسی تعدادی از این کاربردها پرداخته می‌شود.