برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

ضمائم مقاله
آمار مقاله
  • بازدید کل ۴۵,۸۸۰
  • بازدید این ماه ۱۷۴
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۸۷۲
  • قبول شدگان ۷۳۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۱۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۷
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

کاربرد آئروژل‌ها

آئروژل ها، نانو موادی هستند که پتانسیل زیادی و کاربردهای مختلف دارند. محدوده کاربردی آئروژل بسیار گسترده است و شامل مهندسی معماری، نساجی، کاربردهای خانگی، مهندسی محیط زیست، انرژی، صنعت خودروسازی و کاربردهای فضایی می‌شود. آئروژل ها دارای طیف وسیعی از خواص فیزیکی برجسته مانند هدایت حرارتی پایین، خواص مکانیکی مناسب، سبک بودن و توانایی بالا در جذب انرژی هستند. به همین دلایل آئروژل ها گزینه مناسبی برای کاربردهای عایق سازی هستند.
1- مقدمه:
آئروژل ها مواد جامد متخلخلی هستند که خصوصیات منحصر به فردی از خود نشان می دهند و از لحاظ فنی در حوزه های مختلف می توانند کاربرد داشته باشند. به خاطر چگالی پایین آئروژل ها، کاربردهای زیادی به عنوان مواد سبک دارند. در مهندسی برق، کاتالیزورهای و حسگرها، موادی با مساحت سطح ویژه بالا نیاز است و در این زمینه‌ها آئروژل ها می توانند به خوبی نقش آفرینی کنند. آئروژل ها می توانند در کشاورزی و داروسازی عمل رهاسازی کنترل شده را انجام دهند. در بخش علوم فضایی به عنوان مثال در شناسایی گرد و غبار فضایی به کاربرده می شوند. به دلیل قیمت پایین آئروژل ها، این مواد می توانند به عنوان پرکننده در محصولات متنوع در صنعت شیمیایی و داروسازی، جوهر تونر، مواد شوینده و مواد آرایشی استفاده شوند. در ادامه به بررسی کاربردهای مهم آئروژل ها خواهیم پرداخت.

عنوان : نمونه ای از خواص بی نظیر آئروژل ها

توضیحات : از مشخصات بارز آئروژل ها، سبکی و شکندگی آنهاست. در عین حال این مواد به اندازه کافی محکم هستند که بتوان آنها را با دست حمل کرد. قدرت فشردگی، قدرت کششی و الاستیسیته آنها بسیار پایین است و بزرگی این خواص وابسته به بهم پیوستگی شبکه آئروژل و دانسیته پایین آن است.

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای4 : نمونه ای از خواص بی نظیر آئروژل ها

1-2- کاربرد به عنوان عایق:
آئروژل ها طیف وسیعی از خواص فیزیکی برجسته مانند هدایت حرارتی پایین، خواص مکانیکی مناسب، وزن بسیار پایین و توانایی بالایی در جذب انرژی را دارا می‌باشند. به همین دلایل آئروژل ها گزینه مناسبی برای کاربرد عایق سازی هستند.

1-1-2- کاربرد آئروژل ها به عنوان عایق های حرارتی:
آئروژل ها بهترین مواد عایق حرارتی شناخته شده هستند، هدایت پایین آئروژل ها از بافت متخلخل آنها سرچشمه می گیرد که از هوا پر شده است.

عنوان : انتقال حرارت در آئروژل ها

توضیحات : آئروژل ها بهترین عایق های حرارتی شناخته شده هستند، هدایت پایین آئروژل ها از بافت متخلخل آنها سرچشمه می گیرد که از هوا پر شده است. هدایت حرارتی در آئروژل ها شامل سه مولفه می باشد: هدایت جامد، هدایت گاز و عبور تابشی

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای2 : انتقال حرارت در آئروژل ها

2-1-2- کاربرد آئروژل ها به عنوان عایق های صوتی:
بطور کلی آئروژل ها عایق های صوتی بسیار خوبی هستند. انتقال صوت در آئروژل ها به نوع گاز درون شبکه ای،دانسیته و به طور عمده به بافت ماده اولیه بستگی دارد. دامنه و سرعت امواج صوتی در این ترکیبات کاهش می یابد. سرعت امواج طولی صوت در حدود 100 متر بر ثانیه است. این خاصیت، سیلیکا آئروژل ها را برای کاربرد در مقاومت های صوتی، تقویت کننده های مافوق صوت و .... مناسب می سازد. مصارف خانگی آنها به عنوان مثال جهت پوشاندن کف اتاق ها برای جلوگیری از پیچیدین صدای راه رفتن است. از دیگر مصارف آنها در صنایع حمل و نقل و ماشین سازی است. همچنین از این مواد در ساختن اتاق هایی که صدا در فضای آن‌ها منعکس نمی شود استفاده می شود.

2-2- کاربرد نوری آئروژل ها:

عنوان : خواص نوری سیلیکا آئروژل ها

توضیحات : سیلیکا آئروژل مواد متخللی هستند که می توانند به صورت شفاف ساخته شوند. کاربردهای نوری آنها به همگن بودنشان بستگی دارد. غیرهمگن بودن در محدوده نانومتر باعث تفرق تابش است؛ به نحوی که وقتی نور از میان یک نمونه می گذرد، بر اثر پدیده تفرق نمونه زرد بنظر می رسد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای3 : خواص نوری سیلیکا آئروژل ها

سیلیکا آئروژل مواد متخللی هستند که می توانند به صورت شفاف ساخته شوند. کاربرد های نوری آنها به همگن بودنشان بستگی دارد. غیرهمگن بودن در محدوده نانومتر باعث تفرق تابش  است؛ به نحوی که وقتی نور از میان یک نمونه می گذرد، بر اثر پدیده تفرق نمونه زرد بنظر می رسد. آئروژل ساخته شده از تترامتوکسی سیلان در متانول طی دو مرحله هیدرولیز کاتالیز شده با باز و تراکم کاتالیز شده با اسید نمونه خوبی با عبور بالاتر از 93 درصد در طول موج 900 نانومتر تولید می کند.

3-2- کاربرد الکتریکی آئروژل:
1-3-2- باتری:
مشکل شیمیایی در این بخش، توانایی جای دادن یون ها بصورت برگشت پذیر در شبکه آئروژل است. به‌دلیل تخلخل بالای اکسید آئروژل ها، بسیاری از یون های کوچک را می توان در شبکه آن جا داد. علاوه براین، این دسته از آئروژل ها عایق های حرارتی خوبی هستند که می توانند در باتری های الکتریکی با حرارت بالا استفاده می شوند. بیشتر این آئروژل های مطالعه شده از جنس وانادیم اکسید، منگنز اکسید، مولیبدن اکسید هستند که یون های لیتیم در آنها جای داده شده است. آئروژل V2O5 ماده بی شکل است که شبکه جامد بسیار بهم پیوسته ای دارد و مساحت سطح آن بالاتر از 450 مترمربع بر گرم و حجم ویژه سوراخ ها به بزرگی 2.3 سانتی متر مکعب بر گرم است. بیشتر از 5.8 اکی والان لیتیم بر مول آئروژل بوسیله روش های الکتروشیمیایی می تواند جایگزین شود. این مواد بخاطر ظرفیت بالایی که دارند در الکترودهای مثبت با انرژی بالا در باتری های لیتیم کاربرد دارند. علاوه بر لیتیم (Li)، یون های منگنز (Mn)، روی (Zn) و آلومینیم (Al) هم می توانند بصورت برگشت پذیر جایگزین شوند. آئروژل های هیبریدی وانادیم پنتوکسید و پلی پیرول که با پلیمریزه شدن پیرول و وانادیم الکوکسید در مخلوط استون و آب و پیرول تولید می شوند بسیار یکپارچه هستند و رنگ سبز تیره ای دارند. مساحت سطح آنها حدود 150 تا 275 متر مربع بر گرم و دانسیته آنها 0.1 تا 0.2 گرم بر سانتی متر مکعب است. آنها بقدر کافی محکم هستند که بتوان آنها را بدون اینکه خرد شوند برید. هدایت الکتریکی آنها با افزایش سهم پیرول کاهش می یابد. دیگر ترکیب های ممکن AgI-AI2O3 است که هدایت الکتریکی حدود 3-10× 2.8 ثانیه بر سانتیمتر در دمای اتاق است.

2-3-2 - الکترود خازن:
آئروژل ها به عنوان الکترود دولایه های (Double Layer) در ابر خازن ها کاربرد دارند. آنها مقاومت الکتریکی کمی در حد 3-10 اهم دارند. ظرفیت ویژه کربن آئروژل های مشتق شده از آئروژل های آلی رزورسینول-فرمالدهید حدود 45 فاراد بر گرم در الکترولیت آبی است.
مشکل شیمیایی در اینجا قرار دادن برگشت پذیر مقدار زیادی از حامل های بار الکتریکی در شبکه آئروژل است. به هرحال آئروژل خودش باید الکتریسته را هدایت کند. قابل توجه است که این خواص بیشتر در مورد کربن آئروژل مطالعه شده است. در شکل 1 استفاده از کربن آئروژل در ابرخازن ها نشان داده شده است.
کربن آئروژل های بدست آمده از گرماکافت (Pyrolysis) آئروژل های پلی-اکریلونیتریل می توانند به ظرفیت ویژه ای حدود 130 فاراد بر گرم در محلول آبی پتاسیم هیدروکسید 5 مولار برسد.

filereader.php?p1=main_b0104a71c50bada3a
شکل 1 - دولایه های کربن آئروژل در ابر خازن ها [1]

عنوان : رسانایی الکتریکی آئروژل ها

توضیحات : اغلب آئروژل ها عایق الکتریسیته محسوب می شوند اما نوع خاصی از آئروژل های کربنی تهیه شده اند که رسانای الکتریکی شدیدی از خود نشان می دهند. آئروژل های کربنی به عنوان الکترود دولایه های (Double Layer) در ابر خازنها کاربرد دارند. آنها مقاومت الکتریکی کمی در حد 3-10 اهم دارند.

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای4: رسانایی الکتریکی آئروژل ها

3-3-2- مواد دی الکتریک (Dielectric Materials):
فیلم نازک سیلیکا آئروژل ها به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک بسیار کم شناخته شده اند که کاربرد آن در مدارهای مجتمع (Integrated Circuit) است. این فیلم ها برای مثال می توانند از محلول بازی تترا متوکسی سیلان مخلوط شده با دی متیل سولفوکسید ساخته شوند و بعد از پوشش بوسیله CO2 بصورت فوق بحرانی خشک می شوند. ثابت دی الکتریک مربوط حدود 1.1 بدست می آید. خواص دی الکتریک آئروژل های آلی در بخش خازنی فیلترها قابل استفاده است.

4-2- کاربرد آئروژل به عنوان حامل (Carrier) مواد مختلف:
آئروژل ها می توانند به عنوان حامل ترکیبات مختلف برای مثال رنگدانه ها در داروسازی و کشاورزی استفاده شوند. در مواردیکه نیاز به ارتباط گسترده مواد فعال است، آئروژل ها می توانند مثل یک هدایت کننده برای انتقال مواد مختلف باشد. آئروژل ها در مقابل فشار موئینگی مقاوم هستند. برای نگهداری یا حمل مایعاتی پرخطر مثل 1 و 1 دی متیل هیدرازین نامتقارن که برای سوخت موشکها استفاده می شوند، مناسب هستند. علاوه برا این، از این ترکیبات برای محبوس کردن ضایعات رادیواکتیو یا فیلترهای گازی استفاده می شود.
در شیمی، سیلیکا، آلومینا و کربن آئروژل ها با MgCl2، LiBr، CaCl2 اشباع می شوند و به عنوان جاذب آب برای ذخیره سازی گرما در درجه حرارت های پایین کاربرد دارند.

5-2- کاربرد آئروژل در ساختار کاتالیست ها:
اتم های فلزات واسطه از قبیل Fe, Cu, Mo, V و فلزات نجیب Pt, Pd, Ir در بسیاری واکنش ها به عنوان کاتالیست استفاده می شوند. در مورد دسته اول آئروژل های اکسید فلزات در واکنش ها استفاده می شوند و در مورد دسته دوم آئروژل ها اکسید فلزی به عنوان بستر این فلزات به‌کار می‌روند. در همه این موارد مزیت مهم آئروژل ها که آنها را برای مصارف مناسب می سازد مساحت سطح بالای آنها است که باعث افزایش تعداد جایگاه های فعال (بر گرم) مواد می شود. به هر حال در مقایسه با زیروژل (Xyrogel) تجاری، آئروژل‌ها برای این کاربردها مناسب تر هستند. آئروژل ها در حفاظت محیط زیست نیز بکار برده می شوند، به این ترتیب که باعث کاهش پخش آلودگی های ناشی از گازهای خارج شده از اتومبیل ها می شود. این آلودگی ها اغلب منوکسید کربن، هیدروکربن های باقیمانده و اکسید نیتروژن هستند. برای سوخت کامل در اتومبیل ها نیاز به کاتالیست ها داریم، بنابراین بوسیله این کاتالیست ها انوع مهم از آلودگی‌ها حذف می شوند و فقط دی اکسید کربن، آب و نیتروزن در فضا آزاد می شوند. این عمل   یعنی بهینه سازی سوخت با استفاده از کاتالیزور  در مورد موتورهای دیزلی اهمیت بیشتری دارد. در عمل کاتالیست ها باید در شرایط حرارت 900 تا 1200 درجه-سانتی گراد عمل کنند و بیشتر آئروژل ها در این شرایط مساحت سطح خود را از دست می دهند. با وجود این مشکلات، موفقیتی در زمینه سوخت متان با آئروژل های مشتق شده از هگزا آلومینات (Al12O19) تهیه شده با منگنز، کروم، آهن، نیکل یا کبالت بدست آمده است. این ترکیب ساختار لایه لایه دارد. دیگر واکنش های کاتالیستی شیمیایی که در حرارت های ملایم انجام می شوند را می توان با پیوند زدن کمپلکس های آلی-فلزی (Organometallic Complexes) به جداره داخلی آئروژل ها انجام داد.
شاید بهترین نتایج در این مورد، کاتالیست های‌زیستی بدست آمده از قرار‌دادن آنزیم ها در سیلیکا آئروژل است (شکل 2). بهترین موفقیت در این مورد آنزیم لیپاز است که در واکنش های استری شدن استفاده می شود.

filereader.php?p1=main_5d7c2b5dd5ea600ee
شکل 2 - روکش دار کردن آنزیم در سیلیکا آئروژل [1]

آئروژل سیلیکا-آلومینا با ZnCl2 به عنوان کاتالیست در واکنش های آلکیله کردن فریدل کرافتس (Friedel Craft alkylation) بکار می روند. کاتالیست های معمول واکنش های فریدل کرافتس BF3، AlCl3، H2SO4، HF حل شده در حلال های مختلف هستند که این ترکیبات بسیار اثر خورنده‌گی دارند. همچنین ضرورت جداسازی کاتالیست در مورد استفاده از آنها وجود دارد. انتخاب پذیری پایین از دیگر اشکالات این کاتالیست ها است. به این دلایل، هالیدهای فلزی بطور ویژه ZnCl2 قرار‌داده شده روی سطح آئروژل  ها بطور وسیع به عنوان کاتالیست های بهتری نسبت به زیروژل ها هستند. مساحت سطح بالاتر و حجم حفرات بزرگتر باعث این فعالیت بیشتر می شود.

6-2- کاربرد آئروژل در پوشش ها:
پوشش های آئروژلی در بعضی حوزه ها کاربرد مناسبی دارند. از این جمله می‌توان به الکترونیک، حسگر، کاتالیزور و مهندسی پزشکی اشاره کرد. فیلم های سیلیکا آئروژل به عنوان دی الکتریک بین فلزی در الکترونیک استفاده می شود. فیلم نازک آئروژل از طریق پوشش دهی ریسندگی بستر سیلیکون با مخلوط تتراآلکوکسید سیلان/پروپانول به عنوان سُل، انجام می گیرد. طی فرایند خشک کردن فوق بحرانی بدون اینکه حجم حفره ها تغییر کند حلال خارج می شود.

1-6-2- لایه های آئروژل دی اکسید تیتانیوم برروی بستر فلزی برای ایمپلنت های پزشکی:
فرایند سُل-ژل فرایند جالبی است زیرا طی این فرایند امکان اعمال لایه ها یا پوشش هایی از سرامیک متخلخل و یا متراکم برروی بسترهای مختلف وجود دارد. پیش ماده های آلی-فلزی و تکنیک سُل-ژل امکان سنتز پوشش های تیتانیومی را فراهم می سازد. مقدار مواد جامد و شرایط هیدرولیز، خشک کردن در طول فرایند سنتز باعث سنتز آئروژل های متراکم، پوشش های شفاف زیروژل دی اکسید تیتانیوم و یا پوشش های آئروژل با درجه تخلخل بالا می شود. تحت فرآیندهای خشک کردن متفاوت، آئروژل دی اکسید تیتانیوم به فرم گرانول های متخلخل سنتز می شود که در ایمپلنت های طبی کاربرد دارد.

7-2- شیمی آئروژل های لومینسانس کننده:
مواد فتولومینسانس قرار داده شده روی سیلیکا آئروژل ها را می توان بوسیله روکش دار کردن ذرات لومینسانس دهنده در طول فرایند ژلی شدن (Gelation) تهیه کرد. مشکل شیمیایی در اینجا ماندن ذرات در شبکه آئروژل حتی بعد از مرحله شستشو و خشکاندن به روش فوق بحرانی است به نحوی که خواص آن‌ها حفظ شود. ذرات می توانند بوسیله پیوند هیدروژنی جذب سطح شوند، یا بوسیله نیروهای الکتروستاتیک برگشت پذیر یا پیوند برگشت ناپذیر کوالانسی روی آئروژل ثابت شوند و یا به صورت فیزیکی به دام بیفتند.

8-2- تکنیک جدید برای جمع آوری غبارهای کهکشانی
جمع آوری غبارهای کهکشانی از بزرگترین علایق ستاره شناسان است. این ذرات کوچک کیهانی با ابعادی در حدود میکرون فضا را با سرعت بسیار طی می کنند؛ به همین دلیل این ذرات ابر سریع نامیده می شوند. این مهم است که این ذرات را بدون اینکه دست خورده شوند( به عنوان مثال بدون ذوب شدن) جمع آوری کنیم و این عمل فقط با استفاده از آئروژل ها میسر می شوند.
آئروژل ها برای این منظور باید خواص زیادی داشته باشند از جمله اینکه شفاف باشند تا ذرات در آنها قابل تشخیص باشند، تخلخل زیاد، چگالی کم و ضریب حرارتی پایین داشته باشند. همچنین مواد باید در مقابل تغییر ناگهانی دما مقاوم باشند، در مقابل امواج مغناطیستی و رادیویی و در مقابل تشعشعات یونی مقاوم باشند و وزن بسیار کمی هم داشته باشند.

9-2- کاربردها ی دیگر:
آئروژل ها به عنوان نیمه هادی، حسگر و همچنین به عنوان مواد ذخیره کننده انرژی به کار می‌روند. همچنین می‌توانند در پزشکی، کشاورزی، و در محیط زیست جهت تصفیه آب کاربرد داشته باشند. همچنین این ترکیبات در مواد ساختمانی به عنوان ضربه گیر به کاربرده شده اند.

3 - نتیجه گیری:
آئروژل ها حفره ها یا تخلخل های فراوانی دارند که از هوا پر شده است. آئروژل به خاطر چگالی پایین خصوصیت ویژه ای از خود نشان می دهند که برای عایق حرارتی و عایق صوتی جالب به نظر می رسند. به خاطر هدایت الکتریکی بالا و پایداری بالای آئروژل ها، این مواد به عنوان الکترود در پیل سوختی و ابر خازن ها استفاده می شوند. با توجه به قیمت پایین آئروژل ها این مواد می توانند به عنوان پرکننده، در محصولات در صنعت شیمیایی و داروسازی استفاده شود. در این مقاله کاربردهای مختلفی از آئروژل مرور شد از جمله:

کاربرد الکتریکی آئروژل
کاربرد آئروژل ها به عنوان عایق
کاربرد نوری آئروژل ها
کاربرد آئروژل در کاتالیست ها
کاربرد آئروژل در پوشش ها
کاربرد آئروژل در بخش علوم فضایی

منابـــع و مراجــــع

1. Alain, C., Pierre, G. "Chemistry of Aerogels and Their Applications", Chemical Reviews, Vol. 102, pp. 4243-4265, (2002).

2. مرتضی سلطان دهقان، "آئروژل از فناوری تا کاربرد"، ماهنامه فناوری نانو،شماره 11، پیاپی 160، صفحه 27، (1389).

3. مرتضی سلطان دهقان، "آئروژل از فناوری تا کاربرد"، ماهنامه فناوری نانو، شماره 12،پیاپی 166، صفحه 13، (1389).

نظرات و سوالات

نظرات

2 0

فتح اله دویرانی - ‏۱۳۹۳/۱۲/۱۸

هدایت پایین آئروژل ها از بافت متخلخل آنها سرچشمه می گیرد که از هوا پر شده است. سئوالی که از این مطلب طرح شده گزینه‌ی غلط دارد. لطفا در طرح سئوال دقت کافی به خرج دهید.

2 0

مینا زاهد

تشکر بابت مطلب بسیار مفیدتون

0 0

MOHAMMAD NIKRAFTAR

باسلام
ایااز نظر کاربردی و خصوصیات ظاهری نانو ائروژل با نانو سیلیس sio2 تفاوت دارد؟ با تشکر