عنوان: کاربرد آئروژلها نویسندگان : 1- خديجه حاجي بابايي 2- محسن سروری
آئروژلها آئروژلها مواد جامد متخلخل با خصوصیات منحصر به فردی هستند که از لحاظ فنی در حوزه‌های مختلف می‌توانند کاربرد داشته باشند. به خاطر چگالی پایین آئروژلها، کاربردهای زیادی به عنوان مواد سبک دارند.
کاربرد به عنوان عایق آئروژلها طیف وسیعی از خواص فیزیکی برجسته مانند موارد زیر را دارا می‌باشند: هدایت حرارتی پایین خواص مکانیکی مناسب وزن بسیار پایین توانایی بالایی در جذب انرژی به این دلایل آئروژلها گزینه مناسبی برای کاربرد عایق سازی هستند.
کاربرد به عنوان عایق کاربرد آئروژلها به عنوان عایقهای حرارتی آئروژلها بهترین مواد عایق حرارتی شناخته شده هستند. هدایت پایین آئروژلها از بافت متخلخل آنها سرچشمه می‌گیرد که از هوا پر شده است.
کاربرد به عنوان عایق کاربرد آئروژلها به عنوان عایقهای صوتی آئروژلها عایقهای صوتی بسیار خوبی هستند. انتقال صوت در آئروژلها به نوع گاز درون شبکه‌ای، دانسیته و به طور عمده به بافت ماده اولیه بستگی دارد. دامنه و سرعت امواج صوتی در این ترکیبات کاهش می‌یابد. سرعت امواج طولی صوت در حدود 100 متر بر ثانیه است. این خاصیت، سیلیکا آئروژلها را برای کاربرد در مقاومتهای صوتی، تقویت کننده‌های مافوق صوت مناسب می‌سازد.
مصارف خانگی آئروژلها مصارف خانگی جهت پوشاندن کف اتاقها برای جلوگیری از پیچیدن صدای راه رفتن است. از دیگر مصارف آنها در صنایع حمل و نقل و ماشین‌سازی است. از این مواد در ساختن اتاقهایی که صدا در فضای آنها منعکس نمی‌شود، استفاده می‌شود.
کاربرد نوری آئروژلها سیلیکا آئروژل ماده متخلخلی است که می‌تواند به صورت شفاف ساخته شود. کاربردهای نوری آن به همگن بودنش بستگی دارد. غیرهمگن بودن در محدوده نانومتر باعث تفرق تابش است؛ به نحوی که وقتی نور از میان یک نمونه می‌گذرد، بر اثر پدیده تفرق نمونه زرد بنظر می‌رسد. آئروژل ساخته شده از تترامتوکسی سیلان در متانول طی دو مرحله هیدرولیز کاتالیز شده با باز و تراکم کاتالیز شده با اسید سنتز می‌شود. این ترکیب نمونه خوبی با عبور بالاتر از 93 درصد در طول موج 900 نانومتر تولید می‌کند.
کاربرد الکتریکی آئروژل باتری مشکل شیمیایی در این بخش، توانایی جای دادن یونها بصورت برگشت‌پذیر در شبکه آئروژل است. به‌دلیل تخلخل بالای اکسید آئروژلها، بسیاری از یونهای کوچک را می‌توان در شبکه آنها جا داد. این دسته از آئروژلها عایقهای حرارتی خوبی هستند که می‌توانند در باتریهای الکتریکی با حرارت بالا استفاده شوند.
کاربرد الکتریکی آئروژل بیشتر این آئروژلهای مطالعه شده از جنس وانادیم اکسید، منگنز اکسید، مولیبدن اکسید هستند که یونهای لیتیم در آنها جای داده شده است. آئروژل V2O5 ماده بی‌شکل است. شبکه جامد بسیار بهم پیوسته‌ای دارد. مساحت سطح آن بالاتر از 450 مترمربع بر گرم است. حجم ویژه سوراخها به بزرگی 3/2 سانتی متر مکعب بر گرم است.
کاربرد الکتریکی آئروژل بیشتر از 8/5 اکی والان لیتیم بر مول آئروژل بوسیله روشهای الکتروشیمیایی می‌تواند جایگزین شود. این مواد بخاطر ظرفیت بالایی که دارند، در الکترودهای مثبت با انرژی بالا در باتریهای لیتیم کاربرد دارند. علاوه بر لیتیم (Li)، یونهای منگنز (Mn)، روی (Zn) و آلومینیم (Al) هم می‌توانند بصورت برگشت‌پذیر جایگزین شوند.
کاربرد الکتریکی آئروژل آئروژلهای هیبریدی وانادیم پنتوکسید و پلی پیرول که با پلیمریزه شدن پیرول و وانادیم الکوکسید در مخلوط استون و آب و پیرول تولید می‌شوند، بسیار یکپارچه هستند و رنگ سبز تیره‌ای 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. بقدر کافی محکم بوده و بدون خرد شدن، بریده می‌شوند. هدایت الکتریکی آنها با افزایش سهم پیرول، کاهش می‌یابد.
کاربرد الکتریکی آئروژل الکترود خازن آئروژل به عنوان الکترود دولایه‌ای (Double Layer) در ابر خازنها کاربرد دارد. آئروژل مقاومت الکتریکی کمی در حد 3-10 اهم دارد. ظرفیت ویژه کربن آئروژلهای مشتق شده از آئروژلهای آلی رزورسینول-فرمالدهید حدود 45 فاراد بر گرم در الکترولیت آبی است.
کاربرد الکتریکی آئروژل مشکل شیمیایی در اینجا قرار دادن برگشت‌پذیر مقدار زیادی از حاملهای بار الکتریکی در شبکه آئروژل است. آئروژل خودش باید الکتریسیته را هدایت کند.
کاربرد الکتریکی آئروژل کربن آئروژلهای بدست آمده از گرماکافت (Pyrolysis) آئروژلهای پلی اکریلونیتریل می‌توانند به ظرفیت ویژه‌ای حدود 130 فاراد بر گرم در محلول آبی پتاسیم هیدروکسید 5 مولار برسد.
کاربرد الکتریکی آئروژل مواد دی الکتریک (Dielectric Materials) فیلم نازک سیلیکا آئروژل به عنوان ماده‌ای با ثابت دی الکتریک بسیار کم شناخته شده است.
کاربرد الکتریکی آئروژل کاربرد فیلم سیلیکا آئروژل در مدارهای مجتمع (Integrated Circuit) است. این فیلم می‌تواند از محلول بازی تترا متوکسی سیلان مخلوط شده با دی متیل سولفوکسید ساخته شوند. بعد از پوشش بوسیله CO2 بصورت فوق بحرانی خشک شوند. ثابت دی‌الکتریک مربوط حدود 1/1 بدست می‌آید. خواص دی‌الکتریک آئروژلهای آلی در بخش خازنی فیلترها قابل استفاده است.
کاربرد آئروژل به عنوان حامل (Carrier) مواد مختلف آئروژلها به عنوان حامل ترکیبات مختلف برای مثال رنگدانه‌ها در داروسازی و کشاورزی استفاده می‌شوند. در مواردیکه نیاز به ارتباط گسترده مواد فعال است، آئروژلها مثل یک هدایت کننده برای انتقال مواد مختلف رفتار می‌کنند. آئروژلها در مقابل فشار موئینگی مقاوم هستند.
کاربرد آئروژل به عنوان حامل (Carrier) مواد مختلف برای نگهداری یا حمل مایعاتی پرخطر مثل 1 و 1 دی متیل هیدرازین نامتقارن که برای سوخت موشکها استفاده می‌شوند، مناسب هستند. از این ترکیبات برای محبوس کردن ضایعات رادیواکتیو یا فیلترهای گازی استفاده می‌شود.
کاربرد آئروژل به عنوان حامل (Carrier) مواد مختلف در شیمی، سیلیکا، آلومینا و کربن آئروژلها با MgCl2، LiBr، CaCl2 اشباع می‌شوند. این مواد اشباع شده به عنوان جاذب آب برای ذخیره‌سازی گرما در درجه حرارتهای پایین کاربرد دارند.
کاربرد آئروژل در ساختار کاتالیستها فلزات واسطه از قبیل Fe, Cu, Mo, V و فلزات نجیب Pt, Pd, Ir در بسیاری از واکنشها به عنوان کاتالیست استفاده می‌شوند. در مورد دسته اول آئروژلهای اکسید فلزات در واکنشها استفاده می‌شوند. در مورد دسته دوم آئروژلها اکسید فلزی به عنوان بستر این فلزات به‌کار می‌روند.
کاربرد آئروژل در ساختار کاتالیستها در هر دو مورد مزیت مهم آئروژلها که آنها را برای مصارف، مناسب می‌سازد عبارت است از... مساحت سطح بالا مساحت سطح بالا باعث افزایش تعداد جایگاه فعال (بر گرم) مواد می‌شود. در مقایسه با زیروژل (Xyrogel) تجاری، آئروژلها برای این کاربردها مناسب‌تر هستند.
کاربرد آئروژل در ساختار کاتالیستها آئروژلها در حفاظت محیط زیست بکار برده می‌شوند. آئروژل باعث کاهش پخش آلودگی‌های ناشی از گازهای خارج شده از اتومبیلها می‌شود. این آلودگیها اغلب منوکسید کربن، هیدروکربنهای باقیمانده و اکسید نیتروژن هستند.
کاربرد آئروژل در ساختار کاتالیستها کاتالیستها به منظور استفاده برای سوخت کامل در اتومبیل، مورد نیازند. بوسیله کاتالیست انواع مهمی از آلودگیها حذف می‌شوند. آنچه در فضا آزاد می‌شود، تنها... دی اکسید کربن، آب و نیتروزن است. بهینه‌سازی سوخت با استفاده از کاتالیزور در موتورهای دیزلی اهمیت بیشتری دارد. در عمل کاتالیستها باید در شرایط حرارت̊C 900 تا 1200 عمل کنند. بیشتر آئروژلها در این شرایط مساحت سطح خود را از دست می‌دهند.
کاربرد آئروژل در ساختار کاتالیستها با همه مشکلات، موفقیت‌هایی در زمینه سوخت متان با آئروژلهای 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 واکنشهای کاتالیستی شیمیایی را که در حرارتهای ملایم انجام می‌شوند، می‌توان با پیوند زدن کمپلکسهای آلی-فلزی (Organometallic Complexes) به جداره داخلی آئروژلها انجام داد.
کاربرد آئروژل در ساختار کاتالیستها بهترین نتایج در این مورد... کاتالیستهای زیستی بدست آمده از قرار دادن آنزیمها در سیلیکا آئروژل است. بهترین موفقیت در این مورد آنزیم لیپاز است که در واکنشهای استری شدن استفاده می‌شود.
کاربرد آئروژل در ساختار کاتالیستها آئروژل سیلیکا-آلومینا با ZnCl2 به عنوان کاتالیست در واکنشهای آلکیله کردن فریدل کرافتس (Friedel Crafts alkylation) بکار می‌رود.
کاربرد آئروژل در ساختار کاتالیستها کاتالیستهای معمول واکنشهای فریدل کرافتس BF3، AlCl3، H2SO4، HF حل شده در حلالهای مختلف هستند که این ترکیبات بسیار اثر خورند‌گی دارند. در این موارد ضرورت جداسازی کاتالیستها وجود دارد. انتخاب‌پذیری پایین از دیگر اشکالات این کاتالیستها است. هالیدهای فلزی و بطور ویژهZnCl2 قرار‌گرفته بر سطح آئروژل، کاتالیستهای بهتری نسبت به زیروژلها هستند. مساحت سطح بالاتر و حجم حفرات بزرگتر باعث این فعالیت بیشتر می‌شود.
کاربرد آئروژل در پوشش‌ها کاربرد پوششهای آئروژلی در برخی حوزه‌های زیر می‌باشد: الکترونیک، حسگر، کاتالیزور و مهندسی پزشکی
کاربرد آئروژل در پوشش‌ها فیلم سیلیکا آئروژل به عنوان دی‌الکتریک بین فلزی در الکترونیک استفاده می‌شود. فیلم نازک آئروژل از طریق پوشش‌دهی ریسندگی بستر سیلیکون با مخلوط تتراآلکوکسید سیلان/پروپانول به عنوان سُل، ایجاد می‌شود. طی فرایند خشک کردن فوق بحرانی بدون تغییر حجم حفره‌ها، حلال خارج می‌شود.
لایه‌های آئروژل TiO2 بر بستر فلزی برای ایمپلنت‌های پزشکی طی فرایند سُل-ژل امکان اعمال لایه‌ها یا پوششهایی از سرامیک متخلخل و یا متراکم بر بسترهای مختلف وجود دارد. پیش ماده‌های آلی-فلزی و تکنیک سُل-ژل امکان سنتز پوششهای تیتانیومی را فراهم می‌سازد.
لایه‌های آئروژل TiO2 بر بستر فلزی برای ایمپلنت‌های پزشکی مقدار مواد جامد و شرایط هیدرولیز، خشک کردن در طول فرایند سنتز باعث سنتز گونه‌های زیر می‌شود: آئروژلهای متراکم پوششهای شفاف زیروژل TiO2 پوششهای آئروژل با درجه تخلخل بالا تحت فرآیندهای خشک کردن متفاوت، آئروژل TiO2به فرم گرانول‌های متخلخل سنتز می‌شود که در ایمپلنت‌های طبی کاربرد دارد.
شیمی آئروژلهای لومینسانس کننده مواد فتولومینسانس قرار گرفته بر سیلیکا آئروژل بوسیله روکش‌دار کردن ذرات لومینسانس دهنده در طول فرایند ژلی شدن (Gelation) تهیه می‌شوند. مشکل شیمیایی: ماندن ذرات در شبکه آئروژل حتی بعد از مرحله شستشو و خشکاندن به روش فوق بحرانی است، به نحوی که خواص آنها حفظ شود.
تکنیک جدید برای جمع آوری غبارهای کهکشانی جمع آوری غبارهای کهکشانی از بزرگترین علایق ستاره شناسان است.
تکنیک جدید برای جمع آوری غبارهای کهکشانی ذرات کوچک کیهانی با ابعادی در حد میکرون فضا را با سرعت بسیار طی می‌کنند. به همین دلیل این ذرات ابر سریع نامیده می‌شوند. جمع آوری ذرات بدون دست خوردگی (بدون ذوب شدن) حائز اهمیت است. این عمل فقط با استفاده از آئروژلها میسر می‌شود.
تکنیک جدید برای جمع آوری غبارهای کهکشانی آئروژلها می‌بایست برای این منظور حائز خواص مناسبی باشند از جمله اینکه... شفاف باشند تا ذرات در آنها قابل تشخیص باشند. تخلخل زیاد، چگالی کم و ضریب حرارتی پایین داشته باشند. در مقابل تغییر ناگهانی دما مقاوم باشند. در مقابل امواج مغناطیسی و رادیویی و در مقابل تشعشعات یونی مقاوم باشند. وزن بسیار کمی داشته باشند.
کاربردها ی دیگر... آئروژلها به عنوان نیمه هادی، حسگر و همچنین به عنوان مواد ذخیره کننده انرژی به کار می‌روند. در پزشکی، کشاورزی، و در محیط زیست جهت تصفیه آب کاربرد دارند. در مواد ساختمانی به عنوان ضربه‌گیر به کاربرده می‌شوند.
بحث و نتیجه گیری آئروژلها حفره‌ها یا تخلخل‌های فراوانی دارند که از هوا پر شده است. آئروژل به دلیل چگالی پایین واجد خصوصیاتی است که آن را برای عایق حرارتی و عایق صوتی مناسب می‌سازد. به علت هدایت الکتریکی بالا و پایداری بالای آئروژلها، این مواد به عنوان الکترود در پیل سوختی و ابر خازنها استفاده می‌شوند. با توجه به قیمت پایین آئروژلها، این مواد می‌توانند به عنوان پرکننده، در محصولات در صنعت شیمیایی و داروسازی استفاده شوند.
بحث و نتیجه گیری برخی کاربردهای آئروژلها... کاربرد الکتریکی آئروژل کاربرد آئروژلها به عنوان عایق کاربرد نوری آئروژلها کاربرد آئروژل در کاتالیستها کاربرد آئروژل در پوشش‌ها کاربرد آئروژل در بخش علوم فضایی