برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۵/۲۶ تا ۱۳۹۸/۰۶/۰۱

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۶۷۵
  • بازدید این ماه ۱۳۶
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۱۹
  • قبول شدگان ۲۷۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۰۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۲
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 دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

معرفی آئروژل‌ها (Aerogels)

آئروژل‌ها، ژل‌هایی با حفره‌های نانومتری، چگالی پایین، تخلخل و مساحت داخلی بالا هستند. بنابه این ویژگی‌ها، از آئروژل‌ها به‌طور گسترده‌ای در کاربردهایی که نیاز به عایق صوتی و هم‌چنین گذردهی بالای نور وجود دارد، استفاده می‌شود. فرآیند سنتز آئروژل شامل دو مرحله است که در مرحله اول یا مرحله ساخت ژل، حلال در ژل نفوذ می‌کند و در مرحله بعدی، حلال حذف شده یا خشک می‌شود. به‌طور کلی، واژه آئروژل بیشتر بر ساختار داخلی ماده دلالت دارد تا به مواد سازنده آن؛ بنابراین امکان سنتز آئروژل‌ها توسط گستره وسیعی از مواد اولیه با ترکیب شیمیایی مختلف وجود دارد. از مواد اولیه مورد استفاده برای سنتز آئروژل‌ها می‌توان به مواد معدنی، آلی و کامپوزیتی اشاره کرد. در این مقاله، به طور اجمالی به معرفی آئروژل‌ها پرداخته می‌شود و خواص آن‌ها مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. سپس روش‌های سنتز آئروژل‌ها و هم‌چنین انواع آئروژل‌ها برحسب مواد اولیه آن‌ها، به‌طور مفصل مورد مطالعه قرار خواهند گرفت. در نهایت، مهم‌ترین کاربردهای آئروژل‌ها معرفی خواهند شد.

1- مقدمه

آئروژل‌ها اولین بار توسط استیون کیستلر (Samuel Stephens Kistler) در سال 1931 معرفی شدند. ترکیب شیمیایی اولین آئروژل معرفی شده، سیلیکا بود. واژه "آئروژل" از دو واژه هوا و ژل تشکیل شده است. به‌طور کلی، آئروژل یک ماده بسیار سبک متخلخل است که از یک ژل مشتق می‌شود. در سنتز آئروژل، فاز مایع ژل با گاز (هوا) جایگزین می‌شود که در نتیجه آن، یک ماده با دانسیته و هدایت حرارتی پایین تولید می‌شود. حدود 99.8 درصد این نانومواد از هوا تشکیل می‌شود، بنابراین ساختار آن‌ها به‌صورت جامدی متخلخل با شبکه‌ای از تخلخل‌ها به‌صورت بسته‌های گازی است که باعث می‌شود آئروژل‌ها تقریباً بی‌وزن باشند. 

آئروژل‌ سبک‌ترین و کم‌دانسیته‌ترین جامد شناخته شده است، به‌طوری‌که حدود 99.5-50 درصد حجم آن را هوا تشکیل می‌دهد. این ژل‌ها سطحی حدود 3000-250 مترمربع در هرگرم دارند، به‌طوری‌که سطح یک آئروژل با حجم یک اینچ مکعب، حدود یک زمین فوتبال است. معمولا آئروژل‌ها ساختارهایی بی‌شکل یا آمورف دارند و فاقد نظم کریستالی در ریزساختار خود هستند. به همین دلیل، این نانومواد بسیار ترد بوده و شفافیت بسیار بالایی دارند.

 


چندرسانه‌ای 1: تاریخچه پیدایش آئروژل.

 

2- خواص آئروژل‌ها
1-2- هدایت حرارتی
 

چندرسانه‌ای 2: آئروژل‌، یک عایق حرارتی ایده‌آل.

 

آئروژل‌ به‌عنوان بهترین ماده عایق حرارتی شناخته می‌شوند. دلیل اصلی هدایت حرارتی کم این نانومواد، ساختار متخلخل آن‌ها است؛ به‌طوری‌که تخلخل‌های موجود در ساختار آن‌ها مانع سیلان پیوسته و مناسب حرارت می‌شود. یکی دیگر از دلایل عایق بودن آئروژل‌ها، محدود بودن مکانیزم‌های انتقال حرارت در آن‌ها است. به‌طور کلی، سه مکانیزم برای انتقال حرارت وجود دارد که عبارتند از: تابش، همرفت و رسانش. آئروژل‌ها دو مکانیزم همرفت و رسانش در انتقال حرارت را خنثی می‌کنند. دلیل اصلی برای حذف مکانیزم رسانش، وجود تخلخل‌های گازی بسیار زیاد در ساختار آئروژل‌ها و دلیل حذف مکانیزم همرفت، ناتوانی هوا در گردش در سرتاسر شبکه کریستالی آن‌ها است. با این وجود، انتقال حرارت توسط تابش، به دلیل امکان عبور امواج فروسرخ (این امواج توانایی انتقال حرارت دارند) از آئروژل‌ها انجام‌پذیر است. از آئروژل‌های سیلیکایی، به دلیل انتقال حرارت پایین در ساخت پنجره‌های عایق استفاده می‌شود. هدایت حرارتی آئروژل‌ها حتی از گازهای تشکیل دهنده آن‌ها هم کمتر است. دلیل این موضوع، اثر نودسن (Knudsen Effect) است. این اثر زمانی رخ می‌دهد که اندازه حفرات گازی، تقریباً برابر با پویش آزاد میانگین (mean free path) آن‌ها باشد. برای مطالعه بیشتر در مورد پویش آزاد میانگین به پیوست 1 در انتهای متن مراجعه کنید. شکل 1 تصویری از انتقال حرارت ضعیف یک آئروژل را که بین شعله و کبریت قرار دارد، نشان می‌دهد.

 

filereader.php?p1=main_d04b912f9d04201050e4c1185768c644.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1

شکل 1- تصویری از یک انتقال حرارت ضعیف یک آئروژل که بین شعله و کبریت قرار دارد.

 

2-2- یک‌پارچگی آئروژل‌ها
برای استفاده موفقیت‌آمیز از آئروژل‌ها در کاربردهای مختلف، به‌ویژه در اَبَرعایق‌های حرارتی، تقویت خواص فیزیکی آن‌ها بدون آسیب زدن به خواص دیگر آن‌ها ضروری است. شفافیت آئروژل‌ها یکی از خواص فیزیکی مهم آن‌ها است که در استفاده از این نانومواد در کاربردهای مختلف نقش به‌سزایی دارد. هم‌چنین، برای بهبود خواص مکانیکی آئروژل‌ها، انجام دو مرحله قبل از خشک کردن آن‌ها توصیه می‌شود که عبارتند از:

· شستن ژل مرطوب با محلول اتانول و آب.

· مرحله پیرسازی (Aging) که طی آن، ژل شسته شده در تماس با محلول اتانولی که شامل پیش‌ماده سیلیکونی مانند تترامتیل ارتوسیلیکات است، قرار داده می‌شود. با اجرای این مراحل، سختی آئروژل‌ها بدون کاهش خواص ترآوایی آن‌ها افزایش می‌یابد.

 

2-3- آب‌گریزی آئروژل‌ها 
به‌طور کلی، آئروژل‌ها از ذراتی با قطر 5-2 نانومتر تشکیل می‌شوند. پس از فرآیند سنتز آئروژل، مقادیر زیادی از گروه‌های هیدروکسیل روی سطح آن تشکیل می‌شود. این گروه‌ها باعث واکنش آئروژل با آب شده و باعث حل شدن شدید آن در آب می‌شوند. یکی از راه‌های آب‌گریز کردن آئروژل‌های آب‌دوست، جایگزینی گروه هیدروکسیل (-OH) آن با گروه‌های غیرقطبی (-OR) است. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که آئروژل‌ها به‌طور ذاتی آب‌دوست هستند، اما می‌توان با انجام عملیات شیمیایی آن‌ها را آب‌گریز کرد. در این گروه‌ها، R نشان‌دهنده ترکیبات آلیفاتیک است. جهت آشنایی با ترکیبات آلیفاتیک به پیوست 2 مراجعه کنید.

برای آب‌گریز کردن آئروژل‌های سیلیکایی، این ساختارها را از متیل‌تری‌متوکسی سیلان و تترامتوکسی سیلان در شرایط بازی سنتز کرده و در متانول فوق بحرانی خشک می‌کنند. در این روش، فرآیند خشک کردن در درجه حرارت‌های بالا انجام شده و منجر به آب‌گریز شدن سطح آئروژل‌ها می‌شود. شکل 2 شمایی از مراحل سنتز آئروژل سیلیکایی آب‌گریز را نشان می‌دهد.

 

filereader.php?p1=main_9430ae85e2c860fb170e7522a3a584b7.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1

شکل 2- شمایی از مراحل سنتز آئروژل سیلیکایی آب‌گریز.

 

آئروژل‌هایی که حداقل دارای 20 درصد متیل‌تری‌متوکسی سیلان باشند، روی آب شناور می‌مانند، بنابراین آب‌گریز به‌شمار می‌روند. شکل 3 تفاوت ساختاری آئروژل سیلیکایی آب‌گریز و آب‌دوست را نشان می‌دهد.

 

شکل 3- تفاوت ساختاری آئروژل سیلیکایی (الف) آب‌گریز و (ب) آب‌دوست.

 


چندرسانه‌ای 3: ماهیت شیمیایی سطح آئروژل‌ها.

 

4-2- خواص مکانیکی آئروژل‌ها
از ویژگی‌های اصلی آئروژل‌ها می‌توان به سبکی و تردی آن‌ها اشاره کرد. با این وجود، استحکام آن به حدی است که قابلیت حمل با دست را داشته باشند. در مجموع، استحکام فشاری، کششی و الاستیسیته این مواد بسیار پایین است. خواص مکانیکی آئروژل‌ها وابستگی شدیدی به شرایط ساختاری آن‌ها مانند کیفیت به‌هم‌پیوستگی حفرات و دانسیته دارد. یکی از راهکارهای افزایش به‌هم‌پیوستگی ساختار آئروژل‌ها و بهبود خواص مکانیکی آن‌ها، قرار دادن ژل‌ها در محلول‌های آلکوکسید طی فرآیند پیرسازی است. با این روش، ژل‌ها در مقابل فشار موئینگی مقاوم‌تر می‌شوند.

 


چندرسانه‌ای 4: نمونه‌ای از خواص بی‌نظیر آئروژل‌ها.

 

3- روش‌های سنتز آئروژل‌ها
به‌طور کلی، روش‌های سنتز آئروژل‌ها مبتنی بر تولید آن‌ها توسط واکنش‌های پلیمریزاسیون ترکیبات مختلف به‌صورت ژل است. سپس ژل‌های مرطوب تولید شده با روش‌های مختلف خشک می‌شوند. محصول نهایی، موادی خشک با بافت بسیار متخلخل و سبک است. در ادامه به انواع روش‌های سنتز و خشک کردن آئروژل‌ها پرداخته خواهد شد.

 

1-3- فرآیند سُل-ژل 
فرآیند سل-ژل در درجه حرارت‌های پایین (معمولاً کمتر از 100 درجه سانتی‌گراد) و در حالت مایع انجام می‌پذیرد. البته محصول نهایی به‌صورت جامد بوده و این مواد جامد در نتیجه فرآیند پلیمریزاسیون که شامل برقراری پل‌های M-OH-M یا M-O-M (که در آن M نشان‌دهنده اتم فلز است) بین اتم‌های فلز در مواد اولیه است، تشکیل می‌شوند. سنتز آئروژل‌ها با استفاده از فرآیند سل-ژل شامل دو مرحله است که عبارتند از:

· مرحله اول شامل تشکیل ذرات جامد کلوئیدی جدا از هم با ابعاد نانومتری است.

· مرحله دوم شامل به‌هم پیوستن ذرات کلوئیدی موجود در حلال و تشکیل ژل است.    

جهت آشنایی بیشتر با فرآیند سل-ژل به مقاله "تهیه نانومواد با روش سل-ژل 1 و 2" در سایت آموزش نانو مراجعه کنید. شکل 4 شمایی از فرآیند سنتز آئروژل‌ سیلیکایی با استفاده از فرآیند سل-ژل را نشان می‌دهد.

 

شکل 4- شمایی از فرآیند سنتز آئروژل‌ سیلیکایی با استفاده از فرآیند سل-ژل.

 

2-3- روش‌های تبدیل ژل‌ مرطوب به آئروژل
1-2-3- خشک کردن با روش فوق بحرانی
این روش شامل حرارت‌دهی ژل‌های مرطوب در یک فضای بسته با فشار کنترل‌شده است. البته باید درجه حرارت و فشار این محیط را طوری تنظیم کرد که این مقادیر در ناحیه بحرانی مایعی که در خلل و فرج‌های ژل به دام افتاده است، قرار داشته باشد. در نتیجه می‌توان حلال را به‌صورت گاز از سیستم خارج کرد. شکل 5 نحوه پیدا کردن نقطه بحرانی با استفاده از نمودارهای فشار-دما و شکل 6 شمایی از یک دستگاه اتوکلاو مورد استفاده برای خشک کردن به روش فوق‌بحرانی را نشان می‌دهند.  

filereader.php?p1=main_0302b2d019e7829b4f4c78852759a826.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1

شکل 5 - نحوه پیدا کردن نقطه بحرانی با استفاده از نمودارهای فشار-دما.

 

شکل 6 - شمایی از یک دستگاه اتوکلاو مورد استفاده برای خشک کردن به روش فوق‌بحرانی.

 

حلال‌های فوق بحرانی هم شبیه مایعات و هم شبیه گازها هستند، به‌طوری‌که مانند گازها پخش شده و دانسیته و هدایت گرمایی آن‌ها مشابه مایعات است. این حلال‌ها معمولاً فشار و حرارت بالایی دارند. هم‌چنین، حلال‌های فوق بحرانی کشش سطحی کمتری نسبت به مایعات دارند که این ویژگی باعث حفظ ساختار متخلخل آئروژل‌ها و جلوگیری از فروپاشی ساختار آن‌ها حین فرآیند خشک شدن می‌شود. جدول 1 اسامی و ویژگی‌های تعدای از سیال‌های فوق بحرانی متداول را نشان می‌دهد.

 

جدول 1- اسامی و ویژگی‌های تعدای از سیال‌های فوق بحرانی متداول.

 

2-2-3- سایر روش‌های خشک کردن
امکان خشک کردن ژل‌های آلی تولید شده در حلال‌های آلی با استفاده از تبخیر حلال در فشار محیط (بدون انقباض شدید) وجود دارد. هم‌چنین، در این شرایط می‌توان از سورفکتانت‌ها برای کاهش فشار موئینگی بهره برد. سایر روش‌های خشک کردن مرسوم عبارتند از:

· استفاده از افزودنی‌های شیمیایی کنترل‌کننده فرآیند خشک کردن مانند گلیسرول، فرمالدهید، اگزالیک اسید و تترامتیل آمونیوم هیدروکسید.

· فرآیندهای خشک کردن در فشار محیط؛ این روش‌ها قابلیت استفاده در مقیاس صنعتی را دارند.

· روش خشک کردن انجمادی؛ در این روش ابتدا مایع درون ژل منجمد شده و سپس با تصعید کردن خشک می‌شود. به مواد حاصل از این روش، کریوژل (Cryogel) گفته می‌شود.

زیروژل‌ها (Xylogel) به موادی گفته می‌شود که در شرایط معمولی خشک شده‌اند. این مواد تفاوت چندانی با آئروژل‌ها نداشته و اصلی‌ترین تفاوت آن‌ها با هم در تعداد و اندازه حفرات است؛ به‌طوری‌که آئروژل‌ها به دلیل خشک شدن با روش فوق بحرانی دارای حفرات بیشتر و بزرگ‌تری هستند. شکل 7 فلوچارتی از مراحل سنتز آئروژل، کربوژل و زیروژل را نشان می‌دهد.

 

شکل 7- فلوچارتی از مراحل سنتز آئروژل، کربوژل و زیروژل.

 

4- انواع آئروژل‌ها
آئروژل‌ها برحسب ترکیب شیمیایی ژل آن‌ها، به چهار گروه دسته‌بندی می‌شوند:

  • آئروژل‌های معدنی شامل سیلیکا آئروژل، آلومینا آئروژل و…
  • آئروژل‌های آلی
  • آئروژل‌های کربنی
  • آئروژل‌های هیبریدی.

 

1-4- آئروژل‌های معدنی
سیلیکا ژل‌ها، اولین ژل‌های معدنی سنتز شده در شرایط اسیدی سنتز بودند. البته امروزه ژل‌های آلی طبیعی متداول‌تر هستند. امکان تبدیل همه فلزات یا اکسیدهای نیمه‌هادی به ژل وجود دارد. متداول‌ترین آئروژل‌های معدنی عبارتند از: آئروژل سیلیکا، آئروژل‌های پایه تیتانیوم، زیرکونیوم، قلع، آلومینیوم، وانادیم، کروم، آهن، تانتالیوم، مولیبدن و نئوبیوم. هم‌چنین می‌توان آئروژل‌های اکسیدهای دوتایی یا سه تایی را هم سنتز کرد. البته این آئروژل‌ها به دلیل طبیعت سرامیکی خود بسیار شکننده هستند.

 

2-4- آئروژل‌های آلی
آئروژل‌های آلی با استفاده از پیش‌ماده‌های آلی سنتز می‌شوند، به‌طوری‌که حین سنتز آن‌ها پلیمرهای آلی با پیوند کوالانسی قوی (C-C) تولید می‌شود. مرسوم‌ترین ترکیبات آلی مورد استفاده برای سنتز این آئروژل‌ها عبارتند از: رزورسینول - فرمالدهید و ملامین - فرمالدهید (رزین - فرمالدهید).

برای سنتز آئروژل‌های آلی از تراکم (Condensation) ترکیبات آلی اشاره شده در محلول آبی قلیایی استفاده می‌شود. محلول‌ آبی قلیایی مورد استفاده معمولاً سدیم هیدروکسید است که در آن از سدیم هیدروژن کربنات به عنوان کاتالیزور استفاده می‌شود. شکل 8 واکنش تراکم ملامین - فرمالدهید برای سنتز آئروژل آلی را نشان می‌دهد.    

 

شکل 8 - واکنش تراکم ملامین-فرمالدهید برای سنتز آئروژل آلی.

 

از سایر ترکیبات مورد استفاده برای سنتز آئروژل‌های آلی می‌توان به فنول و فورفورال مخلوط شده با پلی‌دی‌متیل سیلوکسان، پلی‌آکریلونیتریل و پلی ایزوسیانات اشاره کرد. این دسته از آئروژل‌ها دارای کاربردهای گسترده‌ای بوده و امکان تولید پلی‌اوره با افزودن پلی‌اورتان به آن‌ها، وجود دارد. با این‌که این نوع آئروژل‌ها شفاف نیستند، اما می‌توان از آن‌ها به عنوان عایق حرارتی مناسب در شرایط محیطی و خلأ استفاده کرد. جدول 2 برخی از ویژگی‌های آئروژل‌ها رزورسینول – فرمالدهید را نشان می‌دهد.

 

جدول 2- برخی از ویژگی‌های آئروژل‌ها رزورسینول-فرمالدهید.

filereader.php?p1=main_17a0e5e83b86d106e094a120f573728c.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1

 

3-4- آئروژل‌های کربن
آئروژل‌های کربن اولین بار در سال 1990 سنتز شدند. روش متداول برای سنتز این آئروژل‌ها، گرماکافت (Pyrolysis) آئروژل‌های آلی در درجه حرارت‌های بالاتر از 500 درجه سانتی‌گراد است که در نتیجه آن، آئروژل‌های آلی تبدیل به آئروژل کربنی هادی الکتریسته می‌شوند. حین فرآیند گرماکافت، مساحت و مقدار خلل و فرج‌های آئروژل کربنی حفظ می‌شود. مطالعات نشان می‌دهند که فرآیند پیرولیز در دمای زیر 1000 درجه سانتی‌گراد باعث افزایش تعداد میکروتخلخل‌ها می‌شود، به‌طوری‌که بزرگ‌ترین مساحت سطح این آئروژل‌ها در دمایی حدود 600 درجه سانتی‌گراد حاصل می‌شود. با افزایش دما رفته‌رفته مقدار حفرات کاهش یافته و در دماهای بالاتر از 2100 درجه سانتی‌گراد، حجم حفرات به صفر می رسد که نشان‌دهنده تشکیل حفرات بسته است. آئروژل‌های کربن به شکل‌های مختلف مانند یک‌پارچه، پودر، فیلم و دانه‌ای سنتز شده‌‌اند که ویژگی‌های آن‌ها در جدول 3 نشان داده شده است.

 

جدول 3 – ویژگی‌های آئروژل‌های کربن.

filereader.php?p1=main_990a7cca681588fe4419e717acbaf2a5.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1

 

نوع دیگری از آئروژل کربن، به‌نام کربن آئروژل ساپورت شده (carbon aerogel supported)، هم وجود دارد که روی سطح پلاتین به دست می‌آید و در تولید الکترود مورد استفاده در پیل سوختی کاربرد دارد. جدول 4 ویژگی‌های کربن آئروژل ساپورت شده روی پلاتین را نشان می‌دهد.

 

جدول 4 - ویژگی‌های کربن آئروژل ساپورت شده روی پلاتین. 

 
4-4- آئروژل‌های هیبریدی
سنتز آئروژل‌هایی با استفاده از ترکیبات آلی - معدنی که با نام آئروژل‌های هیبریدی هم شناخته می‌شوند، باعث افزایش چشم‌گیر کاربردهای آئروژل‌ها می‌شود. به عنوان مثال، با ورود ساختارهای آلی به زمینه سیلیکایی، خواص آب‌گریزی و الاستیکی آن‌ها بهبود می‌یابد. آئروژل‌های هیبریدی معمولاً با روش سل-ژل سنتز می‌شوند. یکی از اصلی‌ترین مزایای آئروژل‌های هیبریدی نسبت به سایر آئروژل‌ها، شکنندگی کمتر آن‌ها است.

 

5- کاربردهای آئروژل‌ها
آئروژل، به دلیل دارا بودن ساختار نانو و مقدار تخلخل زیاد، خواص بسیار جالب و بی‌نظیری دارند. این خواص باعث می‌شوند تا از آئروژل‌ها در کاربردهای متنوع و گسترده‌ای استفاده شود. در ادامه برخی از این کاربردها معرفی خواهند شد:

 

1-5- عایق‌های حرارتی 
یکی ار کاربردهای برجسته آئروژل‌ها، به‌خصوص آئروژل‌های سیلیکایی، استفاده از آن‌ها به‌عنوان عایق‌های حرارتی است که نسبت به سایر عایق‌ها مانند پلی‌استایرن منبسط شده (Expanded Polystyrene; EPS)، بازدهی و کارآیی بهتری دارند.


چندرسانه‌ای 5: انتقال حرارت در آئروژل‌ها.

 

2-5-عایق‌های صوتی 
به‌طور کلی، آئروژل‌ها به‌عنوان عایق‌های صوتی مناسب شناخته می‌شوند. البته، مقدار انتقال صوت در آئروژل‌ها بستگی به دانسیته، بافت ماده اولیه و نوع گاز درون شبکه‌ آن‌ها دارد.

 

3-5- الکترونیک و تجهیزات انرژی
1-3-5- باتری‌ها
تخلخل بالای آئروژل‌ها این امکان را فراهم می‌کند تا بسیاری از یون‌های کوچک در شبکه آن‌ها قرار گیرند. از آئروژل‌های اکسیدی به دلیل دارا بودن تخلخل بالا و انتقال حرارت ضعیف، در باتری‌های الکتریکی که حرارت بالایی دارند، استفاده می شود.

 

2-3-5- الکترود خازن
از آئروژل‌ها به‌عنوان الکترود دولایه (Double Layer) در اَبَرخازن‌ها استفاده می‌شود. مقاومت الکتریکی آئروژل‌ها پایین و در حدود 10-3 اهم است. هم‌چنین، ظرفیت ویژه آئروژل‌های کربنی مشتق شده از آئروژل‌های رزورسینول - فرمالدهید حدود 45 فاراد بر گرم در هر الکترولیت آبی است.

 


چندرسانه‌ای 6: رسانایی الکتریکی آئروژل‌ها.

 

3-3-5- مواد دی‌الکتریک

فیلم نازک آئروژل سیلیکایی،‌ ثابت دی‌الکتریک بسیار کمی دارد و از آن در مدار مجتمع بسیار بزرگ استفاده می‌شود.

 

4-3-5- ذخیره‌کننده انرژی
آئروژل‌ها به‌دلیل دارا بودن مساحت داخلی بسیار بالا، توانایی ذخیره و آزادسازی سریع بارهای الکتریکی یون‌ها در فضای کوچک را دارند.

 

5-3-5- صفحه نمایش 
از آئروژل‌هایی که از مغناطیس‌های شفاف سنتز شده‌اند، در ساخت حافظه‌های غیرفعال یا صفحه نمایش‌های تخت که قدرت تفکیک آن‌ها به صورت مغناطیسی کنترل می‌شود، استفاده می‌شود.

 

6-3-5- نیمه هادی
آئروژل‌های کامپوزیتی فلزی-کالکوزیت در صنایع نیمه‌هادی کاربرد دارند.

 

4-5- حامل مواد مختلف
از آئروژل‌ها به‌عنوان حامل ترکیبات مختلف مانند رنگ‌دانه‌ها در داروسازی و کشاورزی استفاده می‌شود.

 

5-5- کاتالیست‌ها
مشهورترین آئروژل مورد استفاده در کاربردهای کاتالیستی، آئروژل سیلیکا-آلومینا با کلرید روی (ZnCl2) است که به‌عنوان کاتالیست در واکنش‌های آلکیله کردن فریدل-کرافتس (Friedel-Crafts reaction) استفاده می‌شود. برای مطالعه بیشتر در مورد واکنش‌های فریدل-کرافتس به پیوست 3 مراجعه کنید.

 

6-5- حسگرها
به‌دلیل دارا بودن سطح داخلی بالا، از آئروژل‌ها در ساخت سنسورهای شیمیایی - زیستی استفاده می‌شود. سنسورهای ساخته شده با آئروژل‌ها حساسیت بالایی دارند.

   

7-5- مواد ساختمانی
آئروژل‌ها چگالی بسیار پایینی دارند و برای ساخت مواد سبک بسیار مناسب هستند. البته، پایداری مکانیکی این مواد چالشی بزرگ بر سر راه استفاده موفقیت‌آمیز از آن‌ها در مواد ساختمانی است. راه‌کارهای مختلفی برای غلبه بر این چالش معرفی شده است که یکی از آن‌ها، اصلاح پلیمرها با الیاف طبیعی مانند سلولز است.

 

8-5- ضربه‌گیرها
از آئروژل‌‌ها به‌دلیل تردی بالای آن‌ها، در ضربه‌گیرها استفاده می‌شود؛ چرا که جذب انرژی سنتیکی آن‌ها بسیار عالی است.

 

نتیجه‌گیری
آئروژل‌ها، ژل‌هایی با حفره‌های نانومتری، چگالی پایین، تخلخل و مساحت داخلی بالا هستند. در این مقاله به بررسی خواص مختلف، روش‌های سنتز و معرفی انواع آئروژل‌ها و کاربردهای آن‌ها پرداخته شد. گفته شد که آئروژل‌ سبک‌ترین و کم‌دانسیته‌ترین جامد شناخته شده است؛ به‌طوری‌که حدود 99.5-50 درصد حجم آن را هوا تشکیل می‌دهد. تأکید شد که آئروژل‌ به‌عنوان بهترین ماده عایق حرارتی شناخته شده‌اند. دلیل اصلی هدایت حرارتی کم این نانومواد، ساختار متخلخل آن‌ها است، به‌طوری‌که تخلخل‌های موجود در ساختار آن‌ها مانع سیلان پیوسته و مناسب حرارت می‌شود. آئروژل‌ها دو مکانیزم همرفت و رسانش در انتقال حرارت را خنثی می‌کنند. اشاره شد که شفافیت آئروژل‌ها یکی از خواص فیزیکی مهم آن‌ها است در کاربرد این نانومواد نقش به‌سزایی دارد. هم‌چنین راهکارهایی برای بهبود خواص مکانیکی این مواد ارائه شد. گفته شد که که آئروژل‌ها به‌طور ذاتی آب‌دوست هستند، اما می‌توان با انجام عملیات شیمیایی آن‌ها را آب‌گریز کرد. اشاره شد که آئروژل‌ها سبک و ترد هستند و خواص مکانیکی آن‌ها وابستگی شدیدی به شرایط ساختاری آن‌ها مانند کیفیت به‌هم‌پیوستگی حفرات و دانسیته آن‌ها دارد. تأکید شد که روش‌های سنتز آئروژل‌ها مبتنی بر تولید آن‌ها توسط واکنش‌های پلیمریزاسیون ترکیبات مختلف به‌صورت ژل است. سپس ژل‌های مرطوب تولید شده با روش‌های مختلف خشک می‌شوند. روش سل-ژل به‌عنوان مرسوم‌ترین روش سنتز آئروژل‌ها معرفی شد. سپس به معرفی روش‌های خشک کردن ژل‌ها مرطوب مانند روش خشک کردن فوق بحرانی، پرداخته شد. گفته شد که آئروژل‌ها برحسب ترکیب شیمیایی ژل آن‌ها، به چهار گروه معدنی، آلی، کامپوزیتی و هیبریدی دسته‌بندی می‌شوند. سپس، کاربردهای مهم آئروژل‌ها مانند کاربرد در الکترونیک و تجهیزات انرژی، کاربرد به‌عنوان عایق‌های حرارتی و صوتی، کاربرد در کاتالیست‌ها، مواد ساختمانی، ضربه‌گیرها و حسگرها معرفی شدند.

 

 پیوست‌ها

پیوست 1

در علم فیزیک، پویش آزاد میانگین به میانگین مسافت طی شده توسط یک ذره در حال حرکت (مانند اتم، مولکول یا فوتون) بین دو برخورد متوالی گفته می‌شود که این برخوردها باعث اصلاح خواص یا انرژی آن ذره می‌شود.

 

پیوست 2

در شیمی آلی، به تمام ترکیبات هیدروکربنی غیرآروماتیک، ترکیبات آلیفاتیک گفته می‌شود. این ترکیبات شامل کربن و هیدروژن بوده و حلقه‌ای در آن وجود ندارد.

 

منابـــع و مراجــــع

Cuce, Erdem, Pinar Mert Cuce, Christopher J. Wood, and Saffa B. Riffat. "Toward aerogel based thermal superinsulation in buildings: a comprehensive review." Renewable and Sustainable Energy Reviews 34 (2014): 273-299.

Riffat, Saffa B., and Guoquan Qiu. "A review of state-of-the-art aerogel applications in buildings." International Journal of Low-Carbon Technologies 8, no. 1 (2012): 1-6.

Schaefer, Dale W., and Keith D. Keefer. "Structure of random porous materials: silica aerogel." Physical review letters 56, no. 20 (1986): 2199.

Hrubesh, Lawrence W. "Aerogel applications." Journal of Non-Crystalline Solids 225 (1998): 335-342.

Salimian, S., A. Zadhoush, M. Naeimirad, R. Kotek, and S. Ramakrishna. "A review on aerogel: 3D nanoporous structured fillers in polymer‐based nanocomposites." Polymer Composites 39, no. 10 (2018): 3383-3408.

Lamy-Mendes, Alyne, Rui F. Silva, and Luisa Durães. "Advances in carbon nanostructure–silica aerogel composites: a review." Journal of Materials Chemistry A 6, no. 4 (2018): 1340-1369.

Rao, A. Venkateswara, and D. Haranath. "Effect of methyltrimethoxysilane as a synthesis component on the hydrophobicity and some physical properties of silica aerogels." Microporous and Mesoporous Materials 30, no. 2-3 (1999): 267-273.

Pierre, Alain C., and Gerard M. Pajonk. "Chemistry of aerogels and their applications." Chemical Reviews 102, no. 11 (2002): 4243-4266.

Hrubesh, Lawrence W. "Aerogel applications." Journal of Non-Crystalline Solids 225 (1998): 335-342.