エアロゲル：未来の注目すべき断熱材

私たちは宇宙を探索する新しい競争の真っ只中にあり、新しい材料は技術進歩の最前線にあります 。宇宙服のニーズを考えてみましょう。宇宙飛行士を宇宙の極端な温度から保護する必要がありますが、操縦性を高めるために可能な限り薄くて軽い必要があります。

NASAは、宇宙探査で使用するためのエアロゲル断熱材を開発しました 、しかし近年、エアロゲルは市販になりました。 そして、他のさまざまな分野での用途を見つけています。

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エアロゲルは優れた断熱材です。ここでは、エアロゲルが花をトーチランプから保護しています。

エアロゲルは先端材料です その超多孔質構造により、エンジニアは宇宙服や乗り物用の新しい断熱材だけでなくを設計することができます。 、だけでなく、フィルター、バッテリー、太陽集熱器など 。

ただし、「エアロゲル」は一種の材料ではありません 。むしろ、それらは特殊な形の固体 シリカ、ポリマー、酸化物、カーボン、その他の材料から作ることができます 。エアロゲルは固体ですが、非常に多くの小さなボイド、つまり「細孔」が含まれているため、ほとんどが空気で構成されています。

この記事では、次の質問に答えます。

• エアロゲルとは何ですか？
• エアロゲルの作り方は？
• エアロゲルの主な特性は何ですか？
• エアロゲルの用途は何ですか？

エアロゲルとは何ですか？

エアロゲルは超多孔質材料です 、つまり、しっかりしているのに、空気で満たされた小さな穴がたくさんある 毛穴と呼ばれます。これらの細孔はエアロゲルのユニークな特性の鍵です 。フォームや特定のセラミックなど、多くの材料は多孔質ですが、エアロゲルは極端なケースです。

エアロゲルでは、細孔が材料の大部分を占めています 、結果として超軽量の固体材料 。エアロゲルの細孔も非常に小さく、人間の髪の毛よりもはるかに小さく、肉眼で見るには小さすぎます。その結果、エアロゲルは非常に軽くて半透明であるため、「固体雲」のようなニックネームが付けられています。 」と「冷凍煙 」。

エアロゲルの主な特性は何ですか？

エアロゲルは非常に多孔質であるため、体積の最大95％が空気です 、さまざまな異常なプロパティを付与します 。これらの中には、これまでに製造または発見された中で最も軽い材料の中にあるという事実があります。 、これにより、航空宇宙アプリケーションで特に役立ちます。 軽量化が不可欠な場所。

エアロゲルの特性は次のとおりです。

• 非常に低密度（低密度についてはMatmatchの検索を参照）
• 非常に低い熱伝導率（低い熱伝導率についてはMatmatchの検索を参照してください）
• 触媒反応または電気化学反応のための高表面積
• 半透明（光透過率についてはMatmatchの検索を参照）

これらのユニークな特性の鍵は、エアロゲルが非常に多孔性であるだけではないという事実です。 、ただし、細孔も非常に小さい –小さすぎて人間の目で見ることはできません。これは、エアロゲルが細孔内の空気の低い熱伝導率の恩恵を受けるだけでなく、空気が容易に流れないことを意味します。 、これにより、断熱材としての能力がさらに向上します。 。

エアロゲルの作り方

その名前にもかかわらず、エアロゲルはゲルではありません 、彼らは 高多孔性固体 ほとんどが空気で構成されています。エアロゲルは液体として始まります 、ゲルに変換され、次に液体が除去されます。それらのユニークな細孔構造は、小さな粒子が液相で結合したときに作成される構造を保存することによって作成されます。 （小さな粒子サイズについてはMatmatch検索を参照してください）

秘訣は、粒子間のスペースを維持しながら液体を取り除くことです。 。それらの空間はエアロゲルの細孔になります。

最も一般的なタイプのエアロゲルはシリカから作られています 「ゾルゲル」プロセスによる：

1. 「ゾル」は、小さな固体粒子を液体溶媒と混合することによって作られます。
2. 粒子を互いに結合させて混合物を固化させる触媒を加えることにより、ゾルは「ゲル」になります。
3. 液体溶媒は乾燥によって除去され、固体エアロゲルのみが残ります。

エアロゲルの処理は、独自の微細構造を作成するために不可欠です。 半液体ゲル相から残った超小型の細孔なし 、エアロゲルはそのような低密度を持たないでしょう またはそのような優れた断熱材である 。

エアロゲルの用途は何ですか？

エアロゲルは特定の材料ではなく、材料の一種です。 それを余分に多孔質にするために処理されました。 最も一般的なエアロゲルはシリカから作られています （二酸化ケイ素）;しかし、グラフェン、酸化鉄、ポリマーなどから作られたエアロゲルもあります 。

エアロゲルもさまざまな形で現れます 厚いレンガ、柔軟なシート、薄いコーティング 。エアロゲルはさまざまな用途に使用でき、断熱材として市販されています。 。しかし、研究者たちはこれらの注目に値する材料のために他のいくつかの技術的応用を開発してきました。

エアロゲル断熱材

低熱伝導率と低密度 エアロゲルの数が多いため、優れた断熱材 。追加のボーナスとして、エアロゲルは非常に軽量であるため、構造にほとんど重量を追加しません 、宇宙旅行に最適 キログラムごとに宇宙に持ち上げるのにお金がかかるからです。エアロゲルは優れた絶縁体でもあり、柔軟性が必要な薄層で使用できます。 、宇宙服など。

一部のエアロゲルは半透明です 、つまり、窓やソーラーパネルなど、従来の断熱材では使用できなかった場所で使用できます。 。 地上の建物の天窓に使用されているかどうか または将来の宇宙生息地の窓 、エアロゲルは光を透過しますが、熱の伝達をブロックします 。

これにより、構造物の加熱と冷却が容易になるのに最適です。 また、より自然な光を取り入れること 。エアロゲルは、次世代太陽集熱器のコーティングとしても使用されています。 、エアロゲルは光を通過させますが、熱が逃げるのを防ぎます。

熱の流れを止めるエアロゲルの能力 カモフラージュの形としても役立ちます 、およびエアロゲルコーティングは、赤外線カメラから隠す方法としてテストされています。 。

吸着器とフィルター

エアロゲル内部の小さな細孔 それらに特に高い比表面積を与えます。これは、大量の固体材料が周囲と接触していることを意味します 。エアロゲルが特定の分子または粒子を引き付けて付着する材料から作られている場合、それらは細孔内に物質を閉じ込めるフィルターおよび吸着剤として使用できます。 。

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シリカゲルは優れた乾燥剤であり、化学的に安全に食品に使用できます。

おなじみのエアロゲル吸着剤の親戚 シリカゲルです 、空気から水を取り除くための乾燥剤として一般的に使用されます 。ほとんどの人はシリカゲルパケットに精通しています 食品やその他のアイテムを乾燥状態に保つため、空調システム、およびその他のアプリケーションで使用されます。シリカゲルが水で飽和した後、オーブンで加熱することにより「再充電」することができます。これにより、細孔の表面から水が蒸発し、乾燥して再び使用できるようになります。

吸収できる水の量は比表面積とともに増加します 。エアロゲルは従来のシリカゲルよりも比表面積が大きいため、エアロゲルは水分をトラップする能力をさらに向上させます 。

高度なテクノロジーアプリケーション

エアロゲルの高い比表面積 彼らは彼らの環境と接触している特に大量の材料を持っていることを意味します。これにより、エアロゲルは多数の化学的および電気化学的プロセスに役立ちます これは、溶液と固体基板間の接触面積を最大化することで改善できます。

これらには、触媒または触媒基質としての役割を果たすが含まれます さまざまな工業用化学プロセスおよび次世代スーパーキャパシタの電極用 。

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NASAはエアロゲルを使用して、スターダスト宇宙船に搭載された宇宙塵粒子をトラップしました。粒子は固体との衝突で蒸発し、ガスを通過しますが、エアロゲルに閉じ込められる可能性があります。 NASAは、火星探査車の断熱にもエアロゲルを使用しました。

エアロゲルは、多種多様な材料から作ることができる構造の一種であるためです。 、研究者は絶えず新しいエアロゲルとそれらを使用する新しい方法を開発しています。追加の新しい材料がエアロゲルに変わると、新しい技術開発が可能になります。 新しいスーパーキャパシタ、抗菌コーティング、油流出吸収パッド、骨インプラントなど。

低熱伝導率、低密度、高表面積、半透明性の独自の組み合わせにより、エアロゲルは多様な最先端の材料技術に進化しています 。