به گزارش خودمونی، آيروژل یا هواژل یکی از مواد جالب و فوق‌العاده است که در علم مواد و شیمی به کار می‌رود، این ماده سبک‌ترین ماده شناخته شده در جهان است و به‌عنوان یک ماده جامد با بیشترین میزان تخلخل و کمترین چگالی شناخته می‌شود.
در دنیای علم و فناوری، کشف و ابداع مواد جدید همیشه یکی از دستاوردهای مهم و تأثیرگذار بوده است و همواره به دنبال کشف و ابداع مواد جدید هستیم که بتوانند نیازهای ما را برطرف کنند.
بیشتر بخوانید:
میخ چگونه در کارخانه ساخته می شود؟ + فیلم
رنگ سفید از چند رنگ و چه رنگ هایی تشکیل شده است؟
از مواد سبک و قوی برای ساخت هواپیماها و خودروها گرفته تا مواد عایق برای حفظ انرژی، همه و همه نیازمند مواد جدید و پیشرفته هستند، این مواد نه تنها می‌توانند به حل مشکلات موجود کمک کنند، بلکه می‌توانند زمینه‌ساز ظهور فناوری‌های نوین و پیشرفت‌های چشمگیر در حوزه‌های مختلف باشند.
در این میان، یکی از شگفت‌انگیزترین مواد کشف شده در قرن اخیر و یکی از این مواد جدید و بسیار منحصربه‌فرد، آیروژل نام دارد.
آیروژل چگونه ساخته می شود و چه ویژگی هایی دارد؟
آيروژل یک ماده بسیار سبک و متخلخل است که از دی‌اکسید سیلیکن ساخته شده است، این ماده در واقع یک نوع شیشه‌ای است که ۹۹% آن را هوا تشکیل می‌دهد و به همین دلیل بسیار سبک است.
آيروژل به دلیل ساختار خاص و پوشش سلولاری که دارد، بسیار سبک و سریع‌الاستیک است، وزن این ماده به اندازه‌ای کم است که حتی گلبرگ‌های یک گل را هم نمی‌تواند خم کند، این ویژگی‌ها آيروژل را به یکی از مواد منحصر به فرد در جهان تبدیل کرده است.
آيروژل به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، به عنوان یکی از مواد جدید و نوآورانه در علم مواد شناخته شده است و از دی اکسید سیلیکن تهیه می‌شود و می‌تواند به شکل‌ها و اندازه‌های مختلف تولید شود.
تاریخچه آيروژل
آيروژل برای اولین بار در سال ۱۹۳۱ توسط دانشمند آلمانی به نام استیون کیستلر کشف شد، استیون کیستلر در آن زمان در حال تحقیق بر روی ساخت مواد جامد با استفاده از روش‌های شیمیایی بود که توانست این ماده بسیار سبک و متخلخل را ابداع کند.
در ابتدا، ساخت آيروژل به‌دلیل پیچیدگی‌های فرآیند تولید و هزینه‌های بالا، چندان مورد توجه قرار نگرفت، اما در طول دهه‌های بعد، با پیشرفت‌های علمی و فناوری، روش‌های ساخت آيروژل بهبود یافت و هزینه‌های تولید آن کاهش یافت، به‌طوری‌که امروزه آيروژل به‌عنوان یک ماده کاربردی و ارزشمند در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
خواص منحصربه‌فرد آیروژل چیست؟
آیروژل به‌دلیل ساختار منحصربه‌فرد خود، خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار جالبی دارد که آن را به ماده‌ای بسیار کاربردی تبدیل کرده است، برخی از این خواص عبارت‌اند از:
۱- سبکی و چگالی پایین:
همانطور که گفته شد، آیروژل سبک‌ترین ماده شناخته شده در جهان است، چگالی آن حدود ۳ تا ۱۵ برابر کمتر از چگالی آب است.
۲- عایق‌بودن:
آیروژل به‌دلیل ساختار متخلخل خود، عایق گرمایی و صوتی بسیار خوبی است، این ویژگی آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای عایق‌بندی ساختمان‌ها تبدیل کرده است.
۳- شفافیت:
آیروژل‌های سیلیکاتی تا حدود ۹۰% شفاف هستند و می‌توانند به‌عنوان پنجره‌های عایق استفاده شوند.
۴- مقاومت مکانیکی:
با وجود سبکی بالا، آیروژل‌ها مقاومت مکانیکی نسبتاً خوبی دارند و می‌توانند در برابر فشارهای مکانیکی مقاوم باشند.
۵- مقاومت شیمیایی:
آیروژل‌های سیلیکاتی در برابر اکثر مواد شیمیایی مقاوم هستند و می‌توانند در محیط‌های خورنده نیز استفاده شوند.
۶- جذب سطحی:
آیروژل‌ها به‌دلیل ساختار متخلخل خود، سطح ویژه بسیار بالایی دارند و می‌توانند مواد مختلف را جذب کنند، این ویژگی آنها را به‌عنوان جاذب‌های بسیار کارآمد معرفی کرده است.
آیروژل چه کاربردهایی دارد و در کجا از آیروژل ها استفاده می شود؟
از جمله کاربردهای آيروژل می‌توان به استفاده در صنایع فضایی، پزشکی، الکترونیک و حتی معماری اشاره کرد، در صنایع فضایی، این ماده به عنوان یک عایق حرارتی و صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
از آنجا که آيروژل از دی اکسید سیلیکن ساخته شده است، دارای خواص عایق الکتریکی بسیار خوبی است، این ویژگی آيروژل را به یک ماده مورد استفاده در الکترونیک و صنایع مرتبط تبدیل کرده است.
با توجه به ویژگی‌ها و خواص منحصربه‌فرد آیروژل، این ماده کاربردهای بسیار گسترده‌ای در صنایع و حوزه های مختلف علمی و صنعتی دارد، برخی از مهمترین کاربردهای آیروژل عبارت‌اند از:
۱- عایق‌سازی حرارتی و صوتی:
آیروژل دارای خواص منحصر به فردی است که آن را از سایر مواد جدا می‌کند، به عنوان مثال، آيروژل دارای خواص عایق حرارتی بسیار خوبی است و می‌تواند حرارت را به خوبی عایق کند، این خاصیت آيروژل باعث شده است که در برخی از صنایع مانند صنایع هوافضا و صنایع خودروسازی استفاده شود.
علاوه بر حرارت، آيروژل دارای خواص عایق صوتی نیز است، این ماده می‌تواند صداها را جذب کند و از انتشار آنها جلوگیری کند، به همین دلیل، آيروژل در صنایعی که نیاز به کاهش نویز دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
همانطور که گفته شد، به‌دلیل عایق‌بودن بسیار خوب آيروژل، این ماده می‌تواند در ساخت عایق‌های حرارتی و صوتی در ساختمان‌ها، خودروها و سایر صنایع استفاده شود.
۲- عایق‌بندی ساختمان‌ها:
آیروژل به‌دلیل عایق‌بودن بسیار خوب خود، یکی از بهترین مواد برای عایق‌بندی ساختمان‌ها است، استفاده از آیروژل در پنجره‌ها و دیوارها می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی در صرفه‌جویی انرژی کمک کند.
۳- عایق‌بندی لوله‌ها و تجهیزات:
آیروژل همچنین برای عایق‌بندی لوله‌ها و تجهیزات گرمایی و سرمایی مانند یخچال‌ها و فریزرها بسیار مناسب است.
۴- کاربردهای صنعتی:
آيروژل به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، در صنایع مختلف مانند صنایع خودرو، هوافضا، ساختمان‌سازی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۵- کاربردهای فضایی:
یکی از مزایای دیگر آيروژل، سبکی و وزن کم آن است، این ماده به دلیل وزن کمی که دارد، می‌تواند در برخی از برنامه‌ها و ساختارها به عنوان جایگزینی مناسب برای مواد سنتی مورد استفاده قرار گیرد، به عنوان مثال، در صنایع هوافضا که نیاز به مواد سبک و با عملکرد بالا دارند، آيروژل می‌تواند یک گزینه عالی باشد.
آيروژل به‌دلیل سبکی و مقاومت مکانیکی بالای خود، در صنعت هوافضا و ساخت ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی نیز کاربردهای فراوانی دارد، آیروژل‌ها برای عایق‌بندی ماهواره‌ها و موشک‌ها استفاده می‌شوند.
۶- جاذب‌های شیمیایی:
آیروژل‌ها به‌دلیل سطح ویژه بالا و ساختار متخلخل خود، می‌توانند به‌عنوان جاذب‌های شیمیایی برای حذف آلاینده‌ها از آب و هوا استفاده شوند.
۷- کاربردهای پزشکی و دارویی:
آیروژل‌ها به‌دلیل ساختار و ویژگی‌های زیست‌سازگاری خود، در زمینه‌های پزشکی نیز کاربردهایی دارند، آيروژل در ساخت داروها، پانسمان‌های پیشرفته و سایر کاربردهای پزشکی استفاده شود، به‌عنوان مثال، می‌توان از آنها برای ساخت پانسمان‌های زخم استفاده کرد.
در حوزه پزشکی، آيروژل به عنوان یک جاذب قوی برای جذب مواد شیمیایی و داروها استفاده می‌شود.
۸- کاربردهای نظامی:
به‌دلیل خواص منحصربه‌فرد آیروژل، این ماده در صنایع نظامی نیز کاربردهایی دارد، از آیروژل می‌توان برای ساخت لباس‌های محافظ در برابر مواد شیمیایی و پرتوها استفاده کرد.
۹- کاربردهای نوری و الکترونیکی:
آیروژل‌ها به‌دلیل سطح ویژه بالا و ساختار متخلخل خود، می‌توانند در ساخت باتری‌ها و سلول‌های خورشیدی نیز استفاده شوند.
همچنین شفافیت بالای آيروژل، این ماده را برای استفاده در ساخت لنزها، پنجره‌های هوشمند و سایر کاربردهای نوری و الکترونیکی مناسب می‌کند.
۱۰- کاربرد در معماری:
در حوزه معماری، آيروژل به عنوان یک ماده ساختمانی نوآورانه مورد استفاده قرار می‌گیرد، این ماده به دلیل وزن کم و خواص عایقی و سریع‌الاستیکی که دارد، به عنوان یک جایگزین مناسب برای مواد سنتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۱۱- کاربردهای دیگر:
علاوه بر موارد ذکرشده، آیروژل‌ها در زمینه‌های مختلفی مانند کاتالیزگرها، حسگرها، عایق‌های صوتی و غیره نیز کاربرد دارند.
آيروژل چه ویژگی‌هایی دارد؟
آيروژل به‌دلیل ساختار منحصربه‌فرد خود دارای ویژگی‌های بسیار جالب و کاربردی است که آن را به یکی از مواد بسیار ارزشمند در دنیای علم و فناوری تبدیل کرده است و برخی از این ویژگی‌ها عبارت‌اند از:
۱- سبک‌ترین ماده شناخته شده در جهان:
آيروژل با چگالی بسیار پایین خود (حدود ۳ تا ۱۵ برابر کمتر از چگالی آب) به‌عنوان سبک‌ترین ماده شناخته شده در جهان شناخته می‌شود، به‌طوری‌که گلبرگ‌های یک گل را نیز نمی‌تواند خم کند.
۲- بسیار عایق حرارتی:
آيروژل به‌دلیل ساختار متخلخل خود، عایق حرارتی بسیار خوبی است، به‌طوری‌که می‌تواند تا ۱۰ برابر بهتر از عایق‌های معمولی عمل کند.
۳- شفافیت بالا:
آيروژل به‌دلیل ساختار منظم و یکنواخت خود، شفافیت بسیار بالایی دارد و می‌تواند به‌عنوان یک ماده شفاف در کاربردهای مختلف استفاده شود.
۴- مقاومت مکانیکی بالا:
علی‌رغم سبکی بسیار زیاد آيروژل، این ماده دارای مقاومت مکانیکی بالایی است و می‌تواند در برابر فشارهای زیاد مقاومت کند.
۵- مقاومت در برابر حرارت:
آيروژل به‌دلیل ساختار شیشه‌ای خود، در برابر حرارت‌های بالا مقاوم است و می‌تواند تا دمای ۱۲۰۰ درجه سلسیوس را تحمل کند.
۶- ضد آب و روغن:
آيروژل به‌دلیل ساختار نانومتری خود، ضد آب و روغن است و می‌تواند به‌عنوان یک ماده آب‌گریز و روغن‌گریز در صنایع مختلف استفاده شود.
آيروژل از چه ساختاری تشکیل شده است؟
آيروژل دارای ساختاری عجیبی است که به آن ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود را می‌بخشد، این ماده از شبکه‌ای سه‌بعدی از ذرات دی‌اکسید سیلیکن تشکیل شده است که به‌صورت نانومتری در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.
این ساختار نانومتری به‌گونه‌ای است که حجم زیادی از فضا را اشغال می‌کند، اما در عین حال بسیار سبک و متخلخل است.
چگونگی و فرآیند ساخت آیروژل:
فرایند ساخت آیروژل شامل چندین مرحله اصلی است که به‌طور خلاصه عبارت‌اند از:
۱- تهیه ژل سیلیکا:
در ابتدا ژل سیلیکا از طریق واکنش‌های شیمیایی تهیه می‌شود، در این مرحله، محلول سیلیکا (دی‌اکسید سیلیکن) در یک حلال مناسب مانند الکل تهیه می‌شود.
۲- ژل‌زدایی:
در این مرحله محلول ژل سیلیکا تحت فرایند ژل‌زدایی قرار می‌گیرد تا حلال‌های موجود در آن حذف شوند، در این مرحله، مولکول‌های سیلیکا به هم متصل شده و یک ساختار شبکه‌ای ایجاد می‌کنند.
۳- خشک‌کردن:
پس از ژل‌زایی، ژل سیلیکا باید خشک شود، این مرحله بسیار حساس است زیرا اگر به درستی انجام نشود، ساختار متخلخل آیروژل تخریب خواهد شد و برای خشک‌کردن، معمولاً از روش‌های خاصی مانند خشک‌کردن با سیالات فوق‌بحرانی استفاده می‌شود.
به عبارت دیگر در این مرحله پس از ژل‌زدایی، ژل سیلیکا در معرض فرآیند خشک‌کردن قرار می‌گیرد تا به ساختار نهایی آيروژل تبدیل شود.
۴- پردازش و آماده سازی نهایی:
پس از خشک‌کردن، آیروژل به‌دست آمده ممکن است نیاز به برخی پردازش‌های نهایی داشته باشد تا خواص مورد نظر را به‌دست آورد.
در این مرحله، آيروژل تولید شده برای استفاده در کاربردهای مختلف آماده‌سازی می‌شود.
هر یک از این مراحل دارای پیچیدگی‌های خاص خود هستند و نیازمند کنترل دقیق پارامترهای مختلف می‌باشند تا بتوان آيروژل با کیفیت مطلوب تولید کرد.
چالش‌های ساخت آیروژل:
با وجود خواص منحصربه‌فرد آیروژل، ساخت این ماده با چالش‌های متعددی همراه است. برخی از این چالش‌ها عبارت‌اند از:
۱- فرایند ساخت پیچیده:
ساخت آیروژل شامل چندین مرحله پیچیده است که هر کدام نیازمند کنترل دقیق پارامترهای مختلف هستند، این امر باعث می‌شود که فرایند ساخت آیروژل بسیار پیچیده و زمان‌بر باشد.
۲- هزینه‌های بالا:
به‌دلیل پیچیدگی فرایند ساخت و نیاز به تجهیزات خاص، هزینه‌های تولید آیروژل نسبتاً بالا است.
نتیجه گیری
در نهایت، آيروژل یکی از مواد جالب و متنوعی است که در زمینه‌های مختلفی از جمله علم مواد، شیمی، صنایع هوافضا و خودروسازی استفاده می‌شود، این ماده با خواص و ویژگی‌های منحصر به فرد و کاربردهای گسترده‌ای که دارد، به عنوان یکی از مواد پیشرفته پرکاربرد و نوآورانه شناخته می‌شود.
امیدواریم که در آینده، استفاده‌های بیشتری برای این ماده فوق‌العاده پیدا شود و به توسعه فناوری‌های جدید و پیشرفته کمک کند.
نویسنده: 
