آشنایی با آئروژل گرافن (هوا ژل) سبک ترین ماده جهان
آشنایی با آئروژل گرافن (هوا ژل) سبک ترین ماده جهان
فرارو؛ بابک زمانی- شاید تا به حال اسم هواژل یا آئروژل گرافن را نشنیده باشید. در حال حاضر رکورد سبک‌ترین ماده‌ی جامد جهان در دست این ماده است که به صورت دیوانه کننده‌ای کم چگالی است.محققان دانشگاه ژجیانگ چین موفق شدند با تولید آئروژل گرافن، رکورد تازه‌ای در تولید سبک‌ترین ماده جهان ثبت کنند.هواژل یا آئروژل (aerogel) نخستین بار در سال ۱۹۳۱ ساخته شده و این «دود منجمد» که ۹۶ درصد آن از هوا تشکیل شده است، بمدت هشت سال عنوان سبک‌ترین ماده جهان را به خود اختصاص داد.سال گذشته عنوان سبک‌ترین ماده جهان به آئروگرافیت رسید که شش برابر سبک‌تر از هوا است و یک سانتی متر مکعب از آن تنها ۰.۲ میلی گرم وزن دارد.محققان چینی در ماه مارس ۲۰۱۳ موفق به تولید یک ماده اسفنجی از کربن یخ خشک موسوم به آئروژل گرافن (graphene aerogel) شدند که وزن آن در یک سانتیمتر مکعب تنها ۰.۱۶ میلی گرم است.خاصیت برجسته آئروژل گرافن، حالت اسفنجی است که امکان استفاده نامحدود از این ماده برای پاکسازی نشت نفت را فراهم می‌کند؛ این ماده می‌تواند تا ۹۰۰ برابر وزن خود، آب و نفت جذب کند.تمامی آب، نفت و آئروژل گرافن پس از عملیات پاکسازی می‌توانند بار دیگر مورد استفاده قرار بگیرند.گائو چائو Gao Chao مخترع این ماده می‌گوید که ماده تولید شده توانای جذب روغن تا ١٠ برابر وزن خودش را دارد و در آینده با انجام تحقیقات بیشتر توانایی جذب تا ٩٠٠ برابر را خواهد داشت. سرعت جذب آن نیز زیاد است به گونه‌ای که هر گرم از ماده توانایی جذب ۶٩ گرم روغن در یک ثانیه را دارد.این ماده از ورق‌ها و فیبر‌های کربن با ضخامت تنها یک اتم ساخته شده است از این رو آن را می‌توان یک آروژل کربنی دانست. محقیقن معتقد هستند که راه ساده‌ای برای ساخت آروژل‌های کربن به اندازه و اشکال مختلف یافته‌اند. چگالی ماده تنها ٠/١۶ میلی گرم در هر سانتی متر مکعب یا یک ششم چگالی هوااست. این ماده سبک‌تر از ماده قبلی با چگالی ٠/٩ میلی گرم در سانتی متر مکعب است که عنوان سبک‌ترین ماده جهان را در اختیار داشت. هر دوی این مواد از آروژل‌های پلیمیری ناسا سبک‌تر هستند.
ساختار آئروژل گرافن
هَوا-ژِل یا آئروژل یک ماده تولیدی است که کمترین چگالی را در میان مواد جامد دارد. این مادّه از یک ژل به دست می‌آید که در آن قسمت مایع ژل با گاز جایگزین می‌شود. نتیجه این فرایند 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 ماده‌است.هواژل برای نخستین بار توسط ساموئل استفان کیستلر در سال ۱۹۳۱ ساخته شد و تولید آن بر اساس یک شرط‌بند برای جایگزین کردن قسمت مایع ژله خوراکی با گاز بود بدون آنکه ساختار ژله در هم بشکند.
فرایند 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 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. «در ابتدا فرض بر منفی بودن وزن این ماده بود، ولی با تحقیق متوجه وزن بسیار ناچیز ان شدند» ویژگی‌های منحصربه‌فرد این ماده آن را یکی از پرکاربردترین مواد به کار رفته در مأموریت‌های فضایی ساخته‌است. به عنوان نمونه، مسئولان ناسا از هواژل به منظور جلوگیری از یخ‌زدگی ربات مریخ‌نورد در شب‌های سیاره بهرام 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.
خواص آئروژل گرافن
خواص نوری: خواص نوری ایروژل‌ها به شرط تولید بستگی دارد. این مواد در روشنایی به رنگ زرد و در تاریکی آبی دیده می‌شود. روش‌های مختلف حذف آب یا رطوبت از ساختار ایروژل هاو شرایط واکنش از جمله پارامتر‌های مهم و مؤثر در خاصیت نوری ایروژل هامطرح هستند.خواص مکانیکی: شکنندگی انعطاف‌پذیری و پایداری ابعاد از جمله پارامتر‌های مهم در خواص مکانیکی ایروژل‌ها هستند. فشار الاستیک در ایروژل‌ها در حدود۴–۲درصدواستحکام کششی نیز در حدود ۰.۰۲N/mm۲ است. ایروژل‌هایی که از طریق کاتالیزور اسیدی یا خنثی تهیه می‌شوند نسبت به ایروژل‌هایی که به وسیله کاتالیزور بازی سنتز می‌شود دو برابر سفتی بیشتری دارند.هدایت گرمایی: هدایت گرمایی ایروژل‌ها تابعی از پارامتر‌هایی است:۱-انتقال گرما به وسیله فاز جامد ۲-انتقال گرما به وسیله فاز گازی ۳-انتقال گرما به وسیله بازتابش.هدایت گرمایی فازجامد با افزایش چگالی افزایش می‌یابد. در حالی که هدایت گرمایی فاز گازی با افزایش چگالی کاهش می‌یابد و انتقال گرما از طریق تشعشع مستقل از چگالی ایروژل هاست. کمترین هدایت گرمایی ایروژل‌ها در چگالی ۰.۱۵g/cm۳ است.
دیواره‌های شفاف: ایروژل‌ها به شدت اشعه فرو سرخ راجذب می‌کنند و کمترین ضریب هدایت گرمایی در میان جامد‌ها را دارا می‌باشد که از آن‌ها به عنوان یک عایق حرارتی شفاف استفاده می‌شود که مانعی برای انتقال نور خورشید و انتقال حرارت مناسب است. %۹۱ از تابش ورودی در سطح زمین نهفته است که طول موج‌های ۴۰۰–۲۰۰ نانومتر می‌باشد که در آن شفافیت ایروژل‌ها کمتر از شیشه معمولی است. با این وجود در مقایسه با شیشه ایروژل‌ها یک عایق حرارتی منحصر به فردند که برای تجمع کارامد‌تر انرژی خورشیدی و حفظ گرمای ارائه شده از سیستم‌های گرمایشی استفاده می‌شوند.
تولید آئروژل در ایران
مهدی دریانی، مدیر عامل شرکت دانش بنیان ” واکنش صنعت پارت” در شهرک علمی تحقیقاتی اصفهان در گفتگو با خبرنگار مهر، با بیان اینکه این شرکت در جهت ارتقاء تولید ملی و دستیابی به دانش فنی مواد نانو مقیاس فعالیت می‌کند، گفت: این شرکت برای اولین بار در خاورمیانه اقدام به تولید صنعتی “ایروژل آب گریز سیلیس” با نام تجاری ایرولیت کرده است.وی عنوان کرد:ایروژل یا هواژل، سبک¬ترین ماده جامد در جهان شناخته شده که چگالی آن، تنها، سه برابر هواست.دریانی با بیان اینکه ایروژل یک ماده جامد و با دانسیته¬ بسیار پایین تشکیل شده که از ژل مشتق می¬ شود، اظهار داشت: در ایروژل اجزای مایع ژل با گاز جایگزین می¬ شوند و در نهایت مواد جامد با دانسیته پایین، دارای چندین خاصیت استثنایی تولید می‌شود.وی اظهار داشت:یکی از خواص مهم ایروژل عایق بودن آن است. این ماده با القاب دود یخ زده، دود جامد و یا دود آبی هم شناخته شده و علت این نامگذاری طبیعت نیمه شفاف این ماده و نحوه¬ تفرق نور در ایروژل است.دریانی با بیان اینکه ایروژل شبیه فوم استیرن است، افزود: با توجه به نگاه صنایع به سمت صرفه جویی هرچه بیشتر در هزینه¬های انرژی، استفاده از عایق¬ها با اقبال بیشتری روبرو شده، از این رو نسل جدید عایق¬های صوتی، حرارتی و برودتی که توسط پودر سیلیس در حال تولید هستند، جایگزین بسیار مناسبی برای عایق¬های قدیمی می‌توانند باشند.وی با تاکید بر اینکه سالهاست در ایران بهره¬ گیری از عایق¬های حرارتی و برودتی در صنایع مختلف صورت گرفته و نیاز به استفاده از عایق¬ها به صورت همزمان با راه اندازی هر فناوری لازم است، خاطر نشان کرد: ایروژل دارای ویژگی¬های منحصر به فردی همچون، آبگریزی، هدایت کم حرارتی (۰.۰۱۴ W/Mk در دمای اتاق)، سطح ویژه بسیار زیاد و خاصیت جذب اشعه ماوراء بنفش است.مدیر عامل این شرکت دانش بنیان یکی از ویژگی¬های اکوستیک ایروژل را، تبدیل به عایقی موثر در مقابل صدا می¬ داند که این ماده کمترین ضریب شکست و ثابت دی الکتریک را در بین تمام مواد جامد دارد.وی با اشاره به دیگر زمینه¬های کاربرد ایروژل¬ها عنوان کرد: ایروژل خاصیت آبگریزی دارد و استفاده از ایروژل به عنوان یک ابر عایق حرارتی، جاذب بسیار قوی مواد آلی و نفتی، یک سنسور، ماده‌ای با ثابت دی¬ الکتریک پایین، و به عنوان یک منبع ذخیره کاربرد دارد.دریانی افزود: همچنین از ایروژل می‌توان به عنوان عایق صوتی، جسمی مرکب و یک کاتالیست استفاده کرد و افزون بر آن در صنایع پوشاک، پارچه و پتو¬ها و ساختمان، سردکننده¬ ها، پنجره¬های سقفی از این ماده به کاربرد.
