Kā Darbojas Aerogels

{h1}

Aerogeli ir neticami materiāli, kurus var izmantot desmitiem no izolācijas līdz naftas noplūdes tīrīšanai. Uzziniet par aerogels šajā rakstā.

Airgel, materiāls, kas izveidots uz derību starp diviem zinātniekiem 1920. gadu beigās, var būt unikālākā viela uz Zemes. Tā ir visvieglākā cietā viela - Guinness World Records pat to teica - bet tā var atbalstīt 500 līdz 4000 reizes lielāku svaru (atkarībā no tā, kam jūs prasāt) [avots: NASA JPL, Guiness; Šteiners, nulles gravitācija]. Kubikcollu aerogela varēja izklāt, lai tas aptvertu visu futbola laukumu. Tas ir elpojošs un ugunsdrošs, kā arī absorbē eļļu un ūdeni. Arī Airgel ir pārsteidzoši spēcīgs, ņemot vērā tā svaru. Aerogeli var būt lieliski elektrības vadītāji, taču, izgatavoti no dažādiem materiāliem, tie ir arī vieni no labākajiem izolatoriem, kādi jebkad zināmi [avots: Steiner, Zero-Gravity]. Tad kāpēc aerogeļiem nav A saraksta nosaukuma atzīšanas, ko viņi ir pelnījuši?

Diemžēl šāda unikāla produkta izgatavošana prasa ārkārtīgi daudz laika un naudas, daļēji tāpēc, ka katrā partijā tiek izgatavots tikai ļoti mazs daudzums aerogela. Lai gan, ražojot vairāk airgel vienlaikus, tā cena pazeminātos, procesam un materiāliem vien ir augsta cena - apmēram 1,00 USD par kubikcentimetru. Ar apmēram 23 000 USD par mārciņu airgel šobrīd ir dārgāks nekā zelts [avots: NASA JPL, FAQ]!

Šķiet, ka šāds vērtīgs produkts pieder blakus dimantiem un pērlēm mantinieka dārglietu kastītē. Bet airgeli, visticamāk, var atrast kā izolētu raķeti vai sabiezējošu krāsu, nevis kas rotā turīgus sabiedriskos. Kaut arī aerogeli var nebūt tik krāšņi kā zelts, viņi savus uzdevumus veic bez vienaudžiem.

Šajā rakstā mēs izpētīsim, kas aerogeļus padara unikālus, sākot ar viņu atklāšanu Kalifornijā 1920. gadu beigās, līdz viņu ceļojumam, lai savāktu kosmosa putekļus 1999. gadā. Mēs redzēsim arī to, ko nākotne sagaida aerogeļiem un vai tiešām ir veids, kā padarīt tos rentablākus plašai sabiedrībai. Visbeidzot mēs parādīsim, kā jūs varat izveidot savu airgel - pārsteidzoši, ka to var izdarīt.

Lasiet tālāk, lai uzzinātu vairāk par to, kā airgel pirmo reizi parādījās un kā šī adaptīvā viela tiek veidota.

Airgela vēsture

Aņģeļa leģenda ir noslēpta noslēpumā. Mēs zinām, ka 1920. gadu beigās amerikāņu ķīmijas profesors Samuels Kistlers veica derības ar kolēģi Charles Learned. Kistlers uzskatīja, ka objekts, kas padara želeju, ir nevis tā šķidruma īpašības, bet gan struktūra: konkrēti, tā sīko, mikroskopisko poru tīkls, kas pazīstams kā nanoporas. Mēģinot to pierādīt, vienkārši iztvaicējot šķidrumu, gels nokrita kā suflē. Tātad, spēles objektam bija jābūt pirmajam, kurš šķidrumu "želejās" aizstāja ar gāzi, bet neradot struktūras bojājumus [avots: Steiner, Zero Gravity].

Šis saturs nav saderīgs ar šo ierīci.

Pēc daudzām pārbaudēm un kļūdām Kistlers bija pirmais, kurš veiksmīgi aizstāja gēla šķidrumu ar gāzi, izveidojot vielu, kas pēc struktūras bija gēls, bet bez šķidruma. Līdz 1931. gadam viņš publicēja savus atradumus rakstā ar nosaukumu "Saskaņoti paplašinātie aerogeli un želejas" zinātniskajā žurnālā Nature [avots: Ayers, Pioneer].

Airgel sākas kā želeja, ko sauc alkogels. Alcogel ir silikagels, kura porās ir spirts. Spirta vienkārša iztvaicēšana no silīcija dioksīda struktūras radītu struktūras saraušanos, līdzīgi kā mitrs sūklis deformēsies, atstājot uz letes, lai nožūtu. Tā vietā, lai paļautos tikai uz iztvaikošanu, tam ir jābūt pārkritiski žāvēts. Lūk, kas nepieciešams:

  1. Spiediet un sildiet želeju virs tā kritiskā punkta - punkta, kurā nav atšķirības starp gāzi un šķidrumu.
  2. Pazeminiet želeju zemā spiedienā, kamēr tā joprojām ir augstāka par kritisko temperatūru. Spiedienam samazinoties, molekulas izdalās kā gāze, un šķidrums aug mazāk blīvs.
  3. Noņemiet želeju no siltuma avota. Pēc struktūras atdzišanas ir pārāk maz spirta, lai atkal sašķidrinātu šķidrumu, tāpēc tas atgriežas pie gāzes.
  4. Apskatiet savu galaproduktu. Kas atlicis, ir cieta viela, kas izgatavota no silīcija dioksīda, bet tagad piepildīta ar gāzi (gaisu) tur, kur kādreiz bija šķidrums.

Superkritiskā žāvēšana ir veids, kā šķidrā alkogela "alko" daļa pārvēršas gāzē silīcija dioksīda nanoporās, nesadaloties struktūrai. Alkogelu ar izņemtu spirtu tagad sauc par airgel, jo spirtu ir aizstājis gaiss. Airgel ir tikai no 50 līdz 99 procentiem no oriģinālā materiāla apjoma, tas ir viegls, elastīgs un noderīgs materiāls [avots: Steiner, Zero Gravity].

Pāriet uz nākamo lapu, lai uzzinātu par visizplatītākajiem aerogelu veidiem, ko mūsdienās izmanto.

Aerogels veidi

Trīs visizplatītākie aerogelu veidi ir silīcija dioksīds, oglekļa un metāla oksīdi, bet tas ir silīcija dioksīds, ko visbiežāk izmanto eksperimentāli un praktiski. Kad cilvēki runā par aerogels, iespējams, viņi runā par silīcija dioksīda veidu [avots: Aerogel.org, Silica]. Silīciju nedrīkst sajaukt ar silīciju, kas ir pusvadītājs, ko izmanto mikroshēmās. Silīcija dioksīds ir stiklveida materiāls, ko bieži izmanto izolācijai.

Atšķirībā no dūmakaini zilajiem silīcija dioksīda aerogeļiem, uz oglekļa bāzes ir melni un tie jūtami kā ogle uz tausti. To, kas viņiem trūkst izskata, viņi kompensē ar lielu virsmas laukumu un elektrību vadošām spējām. Šīs īpašības padara oglekļa aerogelus noderīgus superkondensatoros, kurināmā elementos un atsāļošanas sistēmās [avots: Aerogel.org, Organic].

Metāla oksīda aerogeli tiek izgatavoti no metāla oksīdiem un tiek izmantoti kā katalizatori ķīmiskām pārvērtībām. Tos izmanto arī sprāgstvielu un oglekļa nanocauruļu ražošanā, un šie aerogeli var būt pat magnētiski. Tas, kas atdala metāla oksīda aerogelus, piemēram, dzelzs oksīdu un hromiju, no biežākajiem silīcija dioksīda brālēniem ir to satriecoši spilgto krāsu gamma. Kad dzelzs oksīds tiek pārveidots par airgelu, tas piešķir aergelam tās preču zīmes rūsas krāsā. Chromia aerogels parādās tumši zaļā vai zilā krāsā. Katrs metāla oksīda veids iegūst nedaudz atšķirīgu krāsu aerogelu. [avots: Aerogel.org, Metāls].

Silīcija diode aerogeli - visbiežāk sastopamie aerogeli - ir zilā krāsā tā paša iemesla dēļ, jo debesis ir zilas. Zilā krāsa rodas, kad baltā gaisma sastopas ar aerogela silīcija dioksīda molekulām, kas ir lielākas par gaismas viļņu garumu. Aerogels vieglāk izkliedē vai atspoguļo īsākos gaismas viļņu garumus nekā garākie. Tā kā zilajai un violetajai gaismai ir īsākais viļņu garums, tās izkliedē vairāk nekā citas redzamā spektra krāsas. Mēs redzam izkliedētus viļņu garumus kā krāsu, un, tā kā mūsu acis ir jutīgākas pret zilajiem viļņu garumiem, mēs nekad neredzam violetus [avots: Steiner, Zero-Gravity].

Lasiet tālāk, lai uzzinātu vairāk par aerogels lietojumiem kosmosā.

Ūdens pret alkoholu

Alkogela poras ir piepildītas ar spirtu, bet kas notiks, ja tā vietā jūs lietotu ūdeni? Pirmajos eksperimentos Kisters izmantoja hidrogeli, kas saturēja ūdeni. Žāvējot, šie želejas uzvedas tāpat kā Jell-O. Viņi sadalās glumīgā, nekārtīgā lāsei, jo hidrogēlā esošais šķidrums pārāk ātri iztvaiko, lai viela saglabātu savu formu. Ar katru molekulu, kas izsūcas, citi mēģina aizpildīt nepilnības. Tas izraisa tā saukto kapilārais stress gēla porās, izraisot visas struktūras sabrukšanu [avots: Hunt and Ayers, History].

Aerogels kosmosā

Šis kosmosa kuģa STARDUST putekļu savācējs tika aprīkots ar 260 airgeļa paneļiem.

Šis kosmosa kuģa STARDUST putekļu savācējs tika aprīkots ar 260 airgeļa paneļiem.

Aerogel daudzpusība to ir padarījusi ļoti nozīmīgu gan uz Zemes, gan kosmosā. Tas ir izpildījis dažādas lomas vairākās NASA misijās, sākot ar Marsa roveru elektroiekārtu izolāciju un beidzot ar kosmosa putekļu uztveršanu no ātruma pārsniegšanas komētas.

Komētas ir primitīvi objekti, kas datēti ar Saules sistēmas dzimšanu. Lidojot pa kosmosu, viņi izmet daļiņas, ko sauc par kosmosa putekļiem. Šie kosmosa putekļi ir ļoti pieprasīti zinātnieku starpā, kuri cer, ka tie mums iemācīs, kā sākās mūsu pasaule.

Misijas laikā, lai savāktu komētas paraugus un kosmosa putekļus, NASA uzsāka kosmosa kuģi, kas nobrauca 4,8 miljardus kilometru (līdzvērtīgi 6000 braucieniem uz Mēnesi), lai sasniegtu komētu Wild 2. Reiz tur atvērās tenisa raketes formas putekļu savācējs. uz augšu un izmantoja savus 260 gaisa gēla gabalus, lai uztvertu starpzvaigžņu putekļu ātrās daļiņas un saglabātu tās dabiskā stāvoklī [avots: NASA JPL, Airgel]. Vēl jo vairāk, tā kā daļiņas bombardēja putekļu savācēju, tās atstāja pēdas kolektora gaisa gēla gabalos, vienlaikus lēnām apstājoties. Šīs takas ļāva zinātniekiem vieglāk atrast sīkas daļiņas no kosmosa.

Kad kosmosa kuģis ieradās mājās 2006. gadā, tas vairāk nekā 30 gadu laikā atnesa pirmos paraugus, kas no kosmosa atgriezti uz Zemes. Aerogel izturība ļāva putekļu savācējam atgriezties no kosmosa neskartas, trūkstot nevienai aerogela flīzei. Zinātnieki ir spējuši izpētīt putekļus un kristālus, kas atrodas aerogelā, un gaida ieskatu, ko tie varētu sniegt [avots: Tilti].

Tālāk mēs uzzināsim par dažiem aerogel komerciālajiem lietojumiem.

Ikdienā izmanto Airgel

Krītiņi, kas atrodas virs aerogela, ir pasargāti no liesmas, kas atrodas zem tā. Marsa rovera izolēšanai tika izmantoti līdzīgi silīcija aerogeli.

Krītiņi, kas atrodas virs aerogela, ir pasargāti no liesmas, kas atrodas zem tā. Marsa rovera izolēšanai tika izmantoti līdzīgi silīcija aerogeli.

Agrākos laikos aerogeli tika laisti tirgū kā sabiezējumi un izmantoti visās lietās, sākot no grima un krāsas līdz pat napalmam. Tos izmantoja arī kā cigarešu filtrus un saldētavu izolāciju. Monsanto bija pirmais uzņēmums, kas tirgoja aerogel komerciālos pieteikumus. Tomēr Kistlera superkritiskā žāvēšanas metode, lai arī efektīva, tomēr bija arī bīstama, laikietilpīga un dārga. Pēc 30 gadu ražošanas visiem šiem faktoriem Monsanto pārtrauca koncentrēties uz aerogels septiņdesmitajos gados.

Tomēr tas nebija airgela beigas. Neilgi pēc tam, kad Monsanto to pameta, zinātnieki izstrādāja procesu, kas, izmantojot drošāku alkoksīda savienojumu, aerogelu ražošanu padarīja mazāk toksiskus. Viņi arī padarīja to mazāk bīstamu, žāvēšanas procesā aizstājot superkritisko spirtu ar superkritisko oglekļa dioksīdu. Šie notikumi samazināja laiku, kas pavadīts aerogelu žāvēšanai, un samazināja to ražošanas bīstamību un uzliesmošanu. Šādi sasniegumi padarīja airgel atkal nedaudz komerciāli dzīvotspējīgāku, un zinātnieki kļuva aizrauti ar produkta iespējām. [avots: Hunt and Ayers, History]

Tā kā aerogel ražošana tika padarīta mazāk sarežģīta un bīstama, tās unikālās īpašības padarīja airgel populāru daudzās citās nozarēs. Silīcija ražotāji, mājas celtniecības materiālu ražotāji un kosmosa aģentūras visi ir izmantojuši airgel. Tā popularitāti ir kavējušas tikai izmaksas, lai gan arvien veiksmīgāk tiek mēģināts radīt rentablus aerogelus. Tikmēr aerogeli var atrast produktu klāstā:

  • Mitrās kostīmi
  • Ugunsdzēsēju tērpi
  • Jumta logi
  • Windows
  • Raķetes
  • Krāsas
  • Kosmētika
  • Atomieroči

[avots: Aerogel.org, Mūsdienu vēsture]

Tā kā aerogel ir unikāla struktūra, to izmanto kā izolatoru un bez prāta. Superizolējošās gaisa kabatas ar aerogela struktūru gandrīz pilnībā neitralizē trīs siltuma pārneses metodes: konvekciju, vadītspēju un starojumu [avots: Cabot Corporation]. Kaut arī airgel joprojām ir diezgan dārgs, labās ziņas ir tās, ka pētījumi liecina, ka airgel izolācija, ko izmanto sienu apšuvumā un grūti izolējamās vietās, piemēram, logu mirgošanā, var ietaupīt māju īpašnieku līdz USD 750 gadā. Papildus tam, ka palīdz māju īpašniekiem ietaupīt naudu, airgel izolācija var ievērojami samazināt jūsu oglekļa pēdas daudzumu. [avots: Aspen Aerogels, New Spaceloft]. Uzņēmumi sacenšas, lai atrastu veidu, kā samazināt izmaksas, taču pagaidām aerogeli NASA ir lētāki nekā plašai sabiedrībai. Tomēr aerogeļus izmanto celtniecības uzņēmumi, elektrostacijas un naftas pārstrādes rūpnīcas. Iespējams, kad tas būs lētāk, airgel sasniegs šo A saraksta statusu.

No Zemes uz kosmosu aerogeļiem, bez šaubām, ir vieta mūsu nākotnē. Lasiet tālāk, lai uzzinātu par jaunākajiem sasniegumiem airgel un to, kā jūs arī varat eksperimentēt ar airgel.

Aerogels nākotne

5,5 mārciņu lielu ķieģeli atbalsta silikagela gabals, kas sver tikai 2 gramus (0,07 unces).

5,5 mārciņu lielu ķieģeli atbalsta silikagela gabals, kas sver tikai 2 gramus (0,07 unces).

Lai arī airgelis ir dārgs, pētnieki joprojām eksperimentē ar veidiem, kā padarīt to stiprāku, lētāku un mazāk bīstamu. Piemēram, profesors Nikolass Leventiss no Misūri štata Zinātnes un tehnoloģijas universitātes pārsteidza zinātnes pasauli 2002. gadā ar paziņojumu, ka ir izstrādājis metodi trauslu aerogelu izgatavošanai. Leventis aerogels, pazīstams kā x-aerogels, ir ne tikai stiprāki; tie ir arī elastīgāki, ūdensnecaurlaidīgi un triecienizturīgi. Negatīvie ir tas, ka x-airgel ražošanai ir vajadzīgas bīstamākas ķīmiskas vielas un tas prasa vairāk laika; šīs ķīmiskās vielas arī samazina tā izolācijas spējas [avots: Aerogel.org, Strong]. Neskatoties uz dažiem negatīviem, x-aerogeliem ir šādi iespējamie pielietojumi:

  • Izolējošie virsgaismas logi
  • Bruņas
  • Neatdedzināmas (vai “pilnīgi izskrējienam”) riepas
  • Elektroķīmisko šūnu membrānas
  • Gaisa kuģa konstrukcijas komponenti
  • Siltuma vairogi kosmosa kuģu atgriešanai

[avots: Leventis]

Turklāt aerogeli varētu palīdzēt virzīties uz “zaļāku” tehnoloģiju. Oglekļa aerogelam ir liels potenciāls superkondensatoriem un degvielas elementiem energoefektīviem automobiļiem. Faktiski oglekļa aerogela enerģijas uzkrāšanas jauda varētu radīt daudz jaunu tehnoloģiju, bet tikai tad, ja aerogela ražošanas cena kļūst lētāka liela mēroga darbībām.

Labā ziņa ir tā, ka jums nav jābūt labi finansētam zinātniekam, lai eksperimentētu ar jaunu aerogelu veidošanu. Vai vēlaties izveidot savu airgel? Lai gan to ir iespējams izdarīt mājās, to vislabāk izdarīt laboratorijā, kurā ir visi nepieciešamie materiāli, ieskaitot autoklāvu, lai superkritiski izžāvētu jūsu eņģeli. (Ja jūtaties ļoti produktīvs, šeit ir instrukcijas, kā padarīt savu superkritisko žāvētāju.) Pajautājiet vietējai universitātei vai kopienas koledžai; iespējams, ja jūs viņiem pateiksit, ka jums ir recepte, ar kuru vēlaties strādāt, viņi var ļaut jums izmantot viņu aprīkojumu [avots: Hunt and Ayers, Making; Aerogel.org, būvēt].

Vairākās tīmekļa vietnēs ir norādījumi par aerogelu veidošanu, ieskaitot aerogel.org un šo no Kalifornijas universitātes. Neatkarīgi no tā, kur jūs izgatavojat savu airgel, obligāti jāveic drošības pasākumi. Lai pasargātu sevi no bīstamiem izgarojumiem un viegli uzliesmojošiem materiāliem, valkājiet aizsargbrilles, cimdus (vislabākie ir trauku mazgāšanas cimdi), garās bikses, apavus ar slēgtu purngalu un gleznotāja masku. [avots: Steiner, Kā padarīt; Medības un Ayers, veidošana]

Aerogels - vai ir kaut kas, ko viņi nevarētu izdarīt? Cerams, ka tuvākajā nākotnē sabiedrība ar viņiem sazināsies. Lai iegūtu papildinformāciju par aerogeļiem un saistītām tēmām, apskatiet saites nākamajā lapā.


Video Papildinājums: Ir darbings: 120 jaunas vakances Cabot Corporation.




Pētniecība


Džordža Velsa Pērle
Džordža Velsa Pērle

Kā Asv Jūras Spēku Futūristiskais Lāzera Ierocis Izmanto Vecās Skolas Telefona Tehnoloģiju
Kā Asv Jūras Spēku Futūristiskais Lāzera Ierocis Izmanto Vecās Skolas Telefona Tehnoloģiju

Zinātne Ziņas


Kā Padarīt Zombiju (Nopietni)
Kā Padarīt Zombiju (Nopietni)

Zinātnieku Bezmaksas Seksuālā Kavēšana (Mušām)
Zinātnieku Bezmaksas Seksuālā Kavēšana (Mušām)

Jaunas Satelīta Staras Atpakaļ 1. Zibens No Kosmosa Foto
Jaunas Satelīta Staras Atpakaļ 1. Zibens No Kosmosa Foto

Personības Iezīme Atklāj, Kurš Kļūst Par Vidējo Dzērumu
Personības Iezīme Atklāj, Kurš Kļūst Par Vidējo Dzērumu

Rāpojoši Kanibāli: Kalmāriem Nav Īpašību Par To, Kā Ēst Viņu Pašu
Rāpojoši Kanibāli: Kalmāriem Nav Īpašību Par To, Kā Ēst Viņu Pašu


LV.WordsSideKick.com
Visas Tiesības Aizsargātas!
Pavairošana Materiālu Atļauts Tikai Prostanovkoy Aktīvu Saiti Uz Vietni LV.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LV.WordsSideKick.com