vật liệu vô cơ aerogel

Aerogel là một vật liệu siêu nhẹ, xốp tổng hợp có nguồn gốc từ gel, trong đó thành phần chất lỏng của gel đã được thay thế bằng khí mà không làm cấu trúc gel bị sụp đổ đáng kể 1. Kết quả là một chất rắn với mật độ, dẫn nhiệt, chỉ số khúc xạ, hằng số điện môi thấp hơn bất kỳ chất rắn nào và hấp thụ các sóng âm thanh giảm xuống còn 100 ms so với 332 ms đối với không khí. Aerogel đã trở thành một vật liệu của quan tâm đến các nhà khoa học trong những thập kỷ gần đây do tính độc đáo của nó các đặc tính vật lý mang lại cho nó tiềm năng cải thiện công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cách nhiệt, cách âm, hấp thụ động năng, điện tử, quang học, hóa học và y sinh học,… 2 3. Tuy nhiên, khi đưa vào thương mại hóa thì kết quả không được như mong đợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

Bình Định, 6/2021

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

NỘI DUNG 5

1 GIỚI THIỆU 5

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của Aerogel 5

1.2 Một số vật liệu đã được tổng hợp 9

2 TÍNH CHẤT 12

2.1 Thuộc tính 12

2.2 Cấu trúc 13

2.3 Độ xốp của aerolgel 13

2.4 Khả năng dẫn nhiệt 14

2.5 Chống thấm 15

2.6 Tính chất quang học 15

2.7 Tính chất cơ học 16

3 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP 16

3.1 Gel hóa silicon Alkoxide 16

3.2 Sấy siêu tới hạn 19

4 ỨNG DỤNG 21

4.1 Cách nhiệt 21

4.2 Hấp phụ hóa học 22

4.3 Xúc tác hoặc mang chất xúc tác 22

4.4 Cách âm 22

4.4 Các ứng dụng du hành của Silica Aerogel 23

5 HẠN CHẾ 24

KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

MỞ ĐẦU

Aerogel là một vật liệu siêu nhẹ, xốp tổng hợp có nguồn gốc từ gel, trong đó thànhphần chất lỏng của gel đã được thay thế bằng khí mà không làm cấu trúc gel bị sụp đổđáng kể [1] Kết quả là một chất rắn với mật độ, dẫn nhiệt, chỉ số khúc xạ, hằng số điệnmôi thấp hơn bất kỳ chất rắn nào và hấp thụ các sóng âm thanh giảm xuống còn 100 m/s

so với 332 m/s đối với không khí Aerogel đã trở thành một vật liệu của quan tâm đến cácnhà khoa học trong những thập kỷ gần đây do tính độc đáo của nó các đặc tính vật lýmang lại cho nó tiềm năng cải thiện công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cáchnhiệt, cách âm, hấp thụ động năng, điện tử, quang học, hóa học và y sinh học,… [2] [3].Tuy nhiên, khi đưa vào thương mại hóa thì kết quả không được như mong đợi

Aerogel còn được gọi là khói đông lạnh, khói rắn, không khí rắn, đám mây rắn,khói xanh [4] Trong khi tin rằng nó là một phát minh gần đây của công nghệ nano do cácđặc điểm cấu trúc nano của nó Tuy nhiên trên thực tế, đó là một vật liệu đã được nghiêncứu từ lâu bởi Samuel Stephens Kistler tại thời điểm của ông tại Đại học Thái BìnhDương ở Stockton, CA, Hoa Kỳ Năm 1931, ông đã tạo ra được vật liệu aerogel trong tựnhiên trong đó ông đã mô tả aerogel là một loại gel trong đó pha lỏng được thay thế bằngkhí theo cách mà mạng lưới rắn được giữ lại mà chỉ có một chút hoặc không co lại tronggel [5] Sự thành công của quá trình này dựa trên một bước quan trọng là làm nóng hệthống gel trong nồi hấp trên nhiệt độ và áp suất tới hạn của pha lỏng của gel, được gọi làlàm khô siêu tới hạn Kết quả là chất lỏng siêu tới hạn được phép thoát ra ngoài để lại mộtvật liệu có độ xốp cao và mật độ cực thấp

Trong các loại aerogel, silica aerogel, là dạng cấu trúc nano xốp của silica dioxit,thể hiện các đặc tính hấp dẫn nhất như độ dẫn nhiệt thấp (0,015 W/m.K), mật độ khối thấp(0,1 g/cm3), độ trong suốt quang học quang phổ nhìn thấy được (99 %), diện tích bề mặtcao (1000 m2/g), hằng số điện môi thấp (1,0-2,0), chỉ số khúc xạ thấp (1,05), vận tốc âmthanh thấp (100 m/s) và sợ nước [1]

Tuy có những tính chất tuyệt vời như vậy, tuy nhiên trên thực tế silica aerogel chỉđược áp dụng cho các động cơ khoa học trong ngành hàng không vũ trụ NASA đã thựchiện nhiều nhiệm vụ du hành vũ trụ bằng cách sử dụng loại aerogel này như một vật liệu

cách nhiệt và thu giữ hạt siêu tốc Bên cạnh đó, hàng không, cả dân dụng và quân sự cũng

có thể là một thị trường ngách đầy hứa hẹn

NỘI DUNG

1 GIỚI THIỆU

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của Aerogel

Năm 1931, Steven Kistler đã cá cược với một đồng nghiệp rằng anh ta có thể tạo ramột gel chứa một cấu trúc rắn có cùng kích thước và hình dạng của gel Để làm điều này,anh ấy đã bắt đầu với một loại gel và chiết xuất chất lỏng, để lại một chất rắn tỷ trọngthấp phía sau Sử dụng một nồi hấp để đẩy chất lỏng qua điểm tới hạn của nó, anh ta đã cóthể chinh phục trở ngại của sức căng bề mặt mà nếu không sẽ xé toạc cấu trúc vững chắcbên trong của gel Cuộc cá cược thành công, loại aerogel đầu tiên do Kistler chế tạo làsilica aerogel sử dụng natri silicat là tiền chất của silica Cùng với thời gian, ông đã tổnghợp aerogel hữu cơ và oxit kim loại từ alumina, oxit vonfram, oxit sắt, oxit thiếc, nikentartrat, xenluloza, nitrocellulose, gelatin, thạch, albumen trứng và cao su Ông tiếp tục mởrộng các nghiên cứu của mình vào các tính chất vật lý của silica aerogel, nhấn mạnh vàocấu trúc, mật độ và độ dẫn nhiệt của nó bằng cách thay đổi áp suất cơ học và nạp đầy cáckhí như không khí, carbon dioxit và chlorofluorocarbon [6]

Kết quả là silica aerogel được xác định là chất rắn có độ dẫn nhiệt thấp nhất ở ápsuất khí quyển Vào những năm 1950, một trong những bằng sáng chế của Kistler đãđược cấp cho Tập đoàn Monsanto để sản xuất quy mô lớn silica aerogel cho các ứng dụngnhư chất làm đặc và vật liệu cách nhiệt dưới nhãn hiệu Santocel [7] Sau đó, ông được cấpbằng sáng chế cho silica aerogel kỵ nước đầu tiên được tạo ra bằng cách silyl hóa vớitrichlorometylsilane để tạo ra chất chống thấm nước [2] Thật bất ngờ, dự án của Masanto

đã kết thúc, ngừng tất cả các hoạt động sản xuất với sự ra đời của một quy trình silica bốckhói tương đối rẻ sử dụng tetrachloride vào năm 1960 Kể từ đó, không có hứng thú vớiaerogel do liên quan đến việc tổng hợp aerogel với chi phí sản xuất cao

Do đó, việc thương mại hóa bị tụt hậu trong một thời gian dài cho đến năm 1968khi một nhóm các nhà nghiên cứu do Teichner và Nicoloan đứng đầu ở Pháp đã cải tiếnmột cách chuẩn bị đơn giản hơn bằng cách áp dụng hóa học sol-gel vào chế tạo silicaaerogel, do đó thay thế thủy tinh được Kistler sử dụng bằng tetrametyl orthosilicat(TMOS), một alkoxysilan, sau đó được loại bỏ ở điều kiện siêu tới hạn [2] Aerogel silica

(SiO2), alumina (Al2O3), titania (TiO2), zirconia (ZrO2), magie oxit (MgO), và sự kết hợpcủa ZrO2-MgO, Al2O3-MgO, và TiO2-MgO đã được sản xuất Trong tổng hợp các vật liệu

đó, các oxit của aerogel này được quan sát thấy có giá trị cao hơn về đặc điểm kết cấu sovới các oxit thu được thông qua phương pháp ban đầu Diện tích bề mặt cũng lớn hơn sovới aerogel oxit tinh khiết tương ứng của chúng [8] Thành tựu này đã gây ra một cuộccách mạng mới trong thế giới khoa học và công nghệ dẫn đến những nghiên cứu chuyênsâu về vật liệu nano này Ứng dụng khoa học đầu tiên của aerogel là máy dò bức xạCherenkov, được phát triển bởi Cantin et al vào năm 1974 Sau đó, sản xuất hàng loạt bắtđầu và vài mét khối gạch silica aerogel trong suốt nguyên khối được sản xuất để trang bịcho máy dò TASSO Cherenkov

Nhà máy đầu tiên sản xuất các khối silica aerogel sử dụng TMOS được thành lập ởThụy Điển nhưng đã bị tàn phá bởi một vụ nổ do rò rỉ trong nồi hấp khi có metanol vàonăm 1984 Nhà máy đã được xây dựng lại và hiện đang được vận hành bởi AirglassCorporation Vì tính độc hại của nó, TMOS bắt buộc phải được thay thế Chẳng bao lâu,Tewari và Hunt tại Berkeley nhận thấy tetraetyl orthosilicat (TEOS) là hóa chất an toànhơn mà không làm thay đổi chất lượng của aerogel [9] Nhưng quá trình này vẫn chưa antoàn để có thể sản xuất hàng loạt Hunt tiếp tục nghiên cứu để cải tiến và đưa ra ý tưởngthay thế cồn trong gel bằng carbon dioxit lỏng trước khi làm khô siêu tới hạn vì CO2 dễcháy và cần nhiệt độ và áp suất thấp hơn để trở nên siêu tới hạn [10] Điều này sẽ làmgiảm bất kỳ rủi ro nguy hiểm nào và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, do đó dẫn đến chiphí sản xuất rẻ hơn Đồng thời, BASF ở Đức tuyên bố đã phát triển một lộ trình thay thế

CO2 khác thông qua natri silicat Họ tiếp thị sản phẩm với tên gọi Basogel cho đến năm1996

Năm 1987, sự ra đời của phương pháp đo khối lượng heli để đo mật độ xương củaaerogel đã cung cấp dữ liệu sao cho mật độ thay đổi theo nồng độ dung môi, pH và xử lýnhiệt đậm đặc [11] Vào cuối những năm 80, Pekala tại LLNL đã mở rộng các loại aerogelbằng cách phát triển aerogel hữu cơ và carbon từ một polyme hữu cơ, resorcinol-formaldehyde (RF) bằng cách sử dụng phương pháp sol-gel [12] Tillotson và Hrubesh đãphát triển các nguyên khối của silica aerogel lưỡng tính với mật độ thấp nhất, 0,003 g/cm3

và có độ xốp lên đến 99,8% bằng cách sử dụng quy trình axit-bazơ hai bước bao gồm việcthay thế rượu bằng dung môi aprotic, bằng cách chưng cất, gây ra hiện tượng hồ hóa [13].

Một phát triển quan trọng khác là phương pháp làm khô dưới tới hạn được tạo ra

để sản xuất silica aerogel mật độ thấp để cách nhiệt Phương pháp này bao gồm một loạtcác giai đoạn sửa đổi hóa học lỗ chân lông và lão hóa để ngăn chặn sự co rút mạnh củagel trong quá trình làm khô nhanh ở áp suất môi trường Mật độ thay đổi trong khoảng0,15 đến 0,3 g/cm3 với độ dẫn nhiệt 0,02 W/mK ở điều kiện khí quyển Prakash và cộng

sự đã mở rộng phương pháp làm khô áp suất môi trường xung quanh (APD) để giảm hơnnữa chi phí sản xuất silica Một quy trình phủ nhúng đơn giản bao gồm sửa đổi bề mặt đểtạo ra sự co ngót khi sấy có thể đảo ngược đã được sử dụng Tiền thân là thủy tinh vì giáthành rẻ và không cháy Kết quả aerogel được quan sát là có mật độ và độ xốp có thể sosánh được bằng cách sử dụng phương pháp làm khô siêu tới hạn Tuy nhiên, việc thay đổi

lộ trình và một số phương pháp tiếp cận tốn nhiều thời gian hơn các phương pháp khác doquá trình rửa và trao đổi dung môi kéo dài

Tiếp theo là chiết xuất siêu tới hạn nhanh (RSCE) làm tăng tốc độ đốt nóng siêu tớihạn Thực nghiệm bởi John Poco tại LLNL vào năm 1996, cuộc điều tra này bao gồm việcđặt sol-gel bên trong một khuôn có áp suất trong đó các điều kiện siêu tới hạn được kiểmsoát theo cách để tránh sự giãn nở không cần thiết và do đó nứt Sự tăng cường đáng kểbắt đầu diễn ra vào buổi bình minh của thiên niên kỷ này

Vào năm 2001, một phương pháp dễ dàng, rẻ tiền và hiệu quả đã được Gash vàTillotson phát triển để điều chế aerogel oxit kim loại bằng cách sử dụng các chất gel hóa

có pha tạp epoxit với điều kiện là các ion kim loại tương ứng phải có hóa trị bằng hoặclớn hơn +3 trong quá trình oxy hóa hình thành của chúng tiểu bang Kết quả đầy hứa hẹn

và các khối vật liệu vi xốp có diện tích bề mặt cao đã được sản xuất Một năm sau,Leventis et al đã phát triển aerogel siêu nhẹ được biến đổi cơ học, được gọi là X-aerogelbằng cách liên kết chéo các diisocyanat thành cấu trúc vi mô của silica aerogel Cường độcủa thép tăng gấp 300 lần trong khi cường độ nén cụ thể của nó xấp xỉ mười lần cường độcủa thép Công việc của ông đã được mở rộng với sự hỗ trợ của các nhà nghiên cứu khác

để điều tra liên kết ngang của polyme với các loại aerogel khác như oxit kim loại chuyển

tiếp và chất hữu cơ sẽ mở rộng hơn nữa các ứng dụng của aerogel X-aerogel đã đượcthực hiện thông qua việc bổ sung một polyme làm lớp phủ bảo vệ trên khung silica.

Mặt khác, chất bán dẫn làm bằng chalcogenide kim loại đã được báo cáo vào năm

2005 bởi Mohanan và cộng sự Họ đã sử dụng một phương pháp bao gồm sự kết hợp oxyhóa của các khối cấu tạo hạt nano chalcogenide kim loại kết hợp với quá trình sấy siêu tớihạn Chất bán dẫn thu được có độ xốp và diện tích bề mặt cao, và các đặc tính quang họcgiới hạn lượng tử đặc trưng giống với các thành phần hạt nano của chúng Năm tiếp theo

là sự phát minh ra bọt kim loại nano nguyên khối có mật độ cực thấp và diện tích bề mặtcao lần lượt là 0,011 g/cm3 và 270 m2/g Các kim loại được chọn là sắt, coban, đồng vàbạc trong khi những kim loại tiềm năng khác vẫn đang được nghiên cứu Sau đó, aerogelống nano carbon được phát minh vào năm 2007 thông qua một phương pháp tổng hợpmới bao gồm các tiền chất gel nước, sau đó là sấy siêu tới hạn và sấy đông lạnh Các ốngnano có thể được chế tạo chắc chắn hơn bằng cách pha tạp chất cồn polyvinyl cho phépchúng chống lại trọng lượng nặng hơn 800 lần so với phiên bản ban đầu của chúng.Chúng cũng là chất dẫn nhiệt và điện tuyệt vời

Nộp hồ sơ vào năm 2004 và được cấp bằng sáng chế vào năm 2007, Halimaton đãtrình bày phương pháp của mình để sản xuất silica aerogel tinh khiết thông qua phươngpháp sol-gel, sau đó là làm khô carbon dioxit siêu tới hạn Tuy nhiên, cô ấy đã sử dụngmột phế phẩm nông nghiệp, tro trấu (RHA), làm nguồn cung cấp silica Thuật ngữ thươngmại là Maerogel là viết tắt của “Aerogel do Malaysia sản xuất” Kết cấu và các đặc tínhvật lý của chất sau đã được chứng minh là có thể so sánh với silica aerogel truyền thống

Maerogel được sản xuất bằng cách đầu tiên hòa tan tro trấu trong natri hydroxittrong nước với tỷ lệ Na2:SiO2 là 1:3,33, để tạo ra dung dịch natri silicat chứa từ 1 đến 16%trọng lượng của SiO2 Sau đó, axit sulfuric đậm đặc được thêm vào dung dịch thủy tinhnước thu được để chuyển natri silicat thành silica để thu được silica hydrogel Tiếp theo làquá trình lão hóa sẽ tạo điều kiện cho cấu trúc gel phát triển Điều này có thể kéo dài đếnbốn mươi ngày Sau đó, nước được chuyển vị từ C1 đến C4 rượu, tốt nhất là metanol hoặcetanol để có được một loại rượu Loại thứ hai được làm khô siêu tới hạn sau khi rượuđược thay thế bằng carbon dioxit để thu được một aerogel Tốt nhất nên thực hiện chiếtxuất siêu tới hạn bằng cách đặt cồn chứa cồn bổ sung vào nồi hấp có gắn cặp nhiệt điện

và bộ điều khiển nhiệt độ và từ từ tăng nhiệt độ trong nồi hấp cho đến khi đạt được nhiệt

độ và áp suất tới hạn Có thể tăng nhiệt độ, ví dụ, với tốc độ 50 °C/h, trong thời gian cầnthiết để đạt đến nhiệt độ tới hạn Sau một thời gian nhất định, hơi rượu được thoát rangoài qua một lỗ rò có kiểm soát bằng cách giảm dần áp suất và nhiệt độ theo điều kiệnkhí quyển Nhiệt độ có thể giảm trong khoảng thời gian, ví dụ, mười hai giờ Lượng cồn

bổ sung phải sao cho có đủ cồn trong nồi hấp để đạt được áp suất tới hạn Các aerogel thuđược là loại ưa nước, có các nhóm hydroxyl trên bề mặt của chúng nhưng có thể chuyểnsang dạng kỵ nước bằng cách thay thế các nhóm hydroxyl bằng các nhóm alkoxy Điềunày có thể đạt được, ví dụ, bằng cách cho hơi metanol đi qua một mẫu aerogel đã đượcnung nóng Thuận lợi hơn là phản ứng metyl hóa được thực hiện trong một hệ thống kín,trong đó mẫu có thể được đặt trong một ống được bao bọc trong một lò nung bên ngoài vàkéo dài giữa một bình chứa metanol đang sôi và một bình ngưng, được nối trở lại bình.Nhiệt độ của lò có thể là 250 °C Tốt nhất là các mẫu được thoát khí ở nhiệt độ khoảng

100 °C dưới áp suất giảm khoảng 10−5  kPa trong ít nhất 15 giờ cả trước và sau quá trìnhmetyl hóa

Năm 2009, aerogel kim loại đầu tiên được chế tạo bởi Leventis et al Nó là mộtloại aerogel sắt được tạo ra bằng cách nấu chảy trộn lẫn giữa resorcinol-formaldehyde vàxerogel oxit sắt (aerogel được làm khô trong môi trường xung quanh) Chúng là các vậtliệu “sắt từ và siêu thuận từ” giàu cacbon, đồng thời có từ tính và kim loại Gần đây, mộtloại aerogel polyme hóa cao cấp được gọi là polyimide aerogel đã được thiết kế riêng tạiTrung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA ở Ohio Gel polyimide được sản xuất bằng cáchliên kết ngang các oligome axit polyamic anhydrit có liên kết ngang với triamine thơmtrong dung dịch và bằng cách nhúng hóa học Các gel tiếp theo sau đó được làm khô siêutới hạn để tạo thành các polyimide aerogel Những loại aerogel biến đổi này có mật độthấp tới 0,14 g/cm3 và diện tích bề mặt cao tới 512 m2/g Độ bền cơ học của lớp aerogelmới này cao gấp 500 lần so với silica truyền thống và có thể cung cấp cách nhiệt và cách

âm hàng loạt Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt được tăng lên theo một yếu tố nhất định vì bản chấtnguyên khối của nó [14]

1.2 Một số vật liệu đã được tổng hợp

1.2.1 Silica Aerogel

Silica aerogel là loại aerogel phổ biến nhất và là loại chính được sử dụng hoặcnghiên cứu [6] Đó là silica dựa trên và có thể được bắt nguồn từ silica gel hoặc bởi mộtbiến đổi quá trình Stober Hạt xốp nano silica mật độ thấp nhất nặng 1000 g/m3, là phiênbản sơ tán của aerogel kỷ lục 1900 g/m3 Mật độ của không khí là 1200 g/m3 (ở 20 °C và

1 atm) Vào năm 2013, aerographene có tỷ trọng thấp hơn ở 160 g/m3 (bằng 13% tỷ trọngcủa không khí ở nhiệt độ phòng)

Silica aerogel chỉ chiếm 3% thể tích chất rắn do đó độ dẫn điện qua chất rắn rấtthấp 97% thể tích còn lại bao gồm không khí trong các lỗ nano cực nhỏ Không khí có rất

ít chỗ để di chuyển, ức chế cả sự đối lưu và sự dẫn pha khí Silica aerogel cũng có độtruyền quang học cao ~ 99% và chỉ số khúc xạ thấp ~ 1,05 Loại aerogel này có đặc tínhcách nhiệt đáng chú ý, có độ dẫn nhiệt cực thấp: từ 0,03 W/m.K trong áp suất khí quyểnxuống 0,004 W/m.K trong chân không, tương ứng với Giá trị R từ 14 đến 105 (hệ đolường US) hoặc 3,0 đến 22,2 (hệ mét) cho độ dày 3,5 in (89 mm) Để so sánh, cách nhiệttường điển hình là 13 (hệ đo lường US) hoặc 2,7 (hệ mét) cho cùng độ dày Điểm nóngchảy của nó là 1473 K (1200 °C; 2192 °F) [15]

Cho đến năm 2011, silica aerogel đã giành được 15 mục trong Kỷ lục GuinnessThế giới về các đặc tính vật liệu, bao gồm chất cách điện tốt nhất và chất rắn có mật độthấp nhất, mặc dù nó đã bị loại khỏi danh hiệu thứ hai bởi vật liệu thậm chí còn nhẹ hơnaerographite vào năm 2012 và sau đó là aerographene vào năm 2013 [16]

1.2.2 Carbon

Carbon aerogel bao gồm các hạt có kích thước trong phạm vi nanomet, liên kếtcộng hóa trị với nhau Chúng có độ xốp rất cao (trên 50%, với đường kính lỗ dưới 100nm) và diện tích bề mặt dao động từ 400 đến 1000 m2/g Chúng thường được sản xuấtdưới dạng giấy tổng hợp: giấy không dệt làm từ sợi carbon, được ngâm tẩm với resorcinol

- formaldehyde aerogel, và bị nhiệt phân Tùy thuộc vào mật độ, carbon aerogel có thểdẫn điện, làm cho giấy aerogel composite hữu ích cho các điện cực trong tụ điện hoặcđiện cực khử ion Do diện tích bề mặt cực cao, các khí carbon được sử dụng để tạo ra siêu

tụ điện, với giá trị lên tới hàng nghìn farad dựa trên mật độ điện dung 104 F/g và 77

F/cm3 Các aerogel carbon cũng cực kỳ "đen" trong phổ hồng ngoại, chỉ phản xạ 0,3%bức xạ trong khoảng từ 250 nm đến 14,3 µm, khiến chúng trở nên hiệu quả đối với các bộthu năng lượng mặt trời ) [16].

1.2.3 Oxit kim loại

Các aerogel oxit kim loại được sử dụng làm chất xúc tác trong các phản ứng hoặcbiến đổi hóa học khác nhau hoặc làm tiền chất cho các vật liệu khác

Aerogel được làm bằng oxit nhôm được gọi là aerogel alumin Những aerogel nàyđược sử dụng làm chất xúc tác, đặc biệt là khi được "pha tạp chất" với một kim loại khácngoài nhôm Nickel – alumina aerogel là sự kết hợp phổ biến nhất Alumina aerogel cũngđang được NASA xem xét để bắt các hạt siêu tốc; một công thức pha tạp với gadolinium

và terbium có thể phát huỳnh quang tại vị trí hạt va chạm, với lượng huỳnh quang phụthuộc vào năng lượng va chạm

Một trong những điểm khác biệt đáng chú ý nhất giữa silica aerogel và aerogel oxitkim loại là aerogel oxit kim loại thường có nhiều màu khác nhau [17]

Silica, alumin, titania, zirconia Rõ ràng với tia tán xạ Rayleigh xanh lam hoặc

trắng

1.2.4 Khác

Các polyme hữu cơ có thể được sử dụng để tạo aerogel SEAgel được làm bằngthạch Màng AeroZero được làm bằng polyimide Xenlulo từ thực vật có thể được sửdụng để tạo ra một aerogel dẻo [11]

GraPhage13 là aerogel dựa trên graphene đầu tiên được lắp ráp bằng cách sử dụnggraphene oxit và xạ khuẩn M13 [18]

Chalcogel là một aerogel làm bằng chalcogens (cột của các nguyên tố trong bảngtuần hoàn bắt đầu với oxy) như lưu huỳnh, selen và các yếu tố khác [19] Các kim loại rẻhơn bạch kim đã được sử dụng để tạo ra nó

Aerogel làm bằng các chấm lượng tử cadmium selenua trong mạng 3-D xốp đãđược phát triển để sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn [20]

Hiệu suất aerogel có thể được tăng cường cho một ứng dụng cụ thể bằng cách bổsung chất pha tạp, cấu trúc gia cố và hợp chất lai Aspen Aerogels sản xuất các sản phẩmnhư Spaceloft [21], là vật liệu tổng hợp của aerogel với một số loại đánh bóng dạng sợi

2 TÍNH CHẤT

2.1 Thuộc tính

Hình 1: a) Một bông hoa nằm trên một miếng aerogel treo lơ lửng trên ngọn lửa; b) Một

aerogel được giữ bằng tóc.

Các đặc tính vật lý của aerogel phụ thuộc nhiều vào mật độ và thành phần hóa họccủa nó Do đó, các phương pháp tổng hợp khác nhau sẽ dẫn đến các giá trị điển hìnhkhông giống nhau cho các thuộc tính nhất định Bảng bên dưới cho ta cái nhìn sơ bộ vềtính chất của một số vật liệu aerogel

Độ dẻo dai gãy xương 0,8 kPam0,5

Bảng 1: Tính chất vật lý của silica aerogel

Silica aerogel có cảm giác dính vì các nhóm silanol (Si-OH) không phản ứng kếtthúc lớp da của bộ xương của chúng các nhóm -OH dễ dàng tạo ra các liên kết hydro yếu,không giống như bang Scotch, khiến nó có cảm giác dính

2.2 Cấu trúc

Cấu trúc aerogel là kết quả của quá trình trùng hợp sol-gel, là khi các monomephản ứng với các monome khác để tạo thành sol hoặc một chất bao gồm các đại phân tửliên kết, liên kết chéo với dung dịch lỏng giữa chúng Khi vật liệu được làm nóng tới hạn,chất lỏng bay hơi và khung đại phân tử liên kết, liên kết ngang bị bỏ lại Khung rắn tạonên silica aerogel bao gồm các hạt nano silica oxit của silicon giống như thủy tinh, thạchanh hoặc cát (mặc dù những dạng silica này thường có các thành phần khác được trộnvào) Cách các hạt nano này kết nối với nhau để tạo thành khung của aerogel có thể khácnhau, và nói chung là kết quả hóa học được sử dụng để điều chế gel tiền thân aerogel.Trong một silica aerogel được sản xuất thông qua quá trình sol-gel alkoxit xúc tác gốcđiển hình, các hạt sơ cấp có kích thước nano của silica có đường kính 2-5 nm được kết tụthành các hạt thứ cấp hình cầu có đường kính 50 nm-2 um (2000 nm) sau đó lần lượtđược kết nối với nhau thành các sợi trong cấu trúc kiểu “chuỗi ngọc trai Trong silicaaerogel được sản xuất thông qua quá trình sol-gel xúc tác axit, các hạt sơ cấp nhỏ hơnkhông kết tụ thành các hạt thứ cấp hình cầu lớn hơn và thay vào đó được kết nối theo hìnhthái giống như lá [14]

2.3 Độ xốp của aerolgel

Có một số cách để xác định độ xốp của aerogel: ba phương pháp chính là hấp phụkhí, đo độ xốp thủy ngân và phương pháp tán xạ Trong quá trình hấp phụ khí, nitơ ởđiểm sôi của nó được hấp phụ vào mẫu aerogel Khí được hấp phụ phụ thuộc vào kíchthước của các lỗ trong mẫu và vào áp suất riêng phần của khí so với áp suất bão hòa của

nó Thể tích của khí bị hấp phụ được đo bằng cách sử dụng công thức Brunauer, Emmit

và Teller (BET), cho diện tích bề mặt cụ thể của mẫu Ở áp suất riêng phần cao trong quátrình hấp phụ/giải hấp, phương trình Kelvin đưa ra sự phân bố kích thước lỗ của mẫu.Trong phép thử thủy ngân, thủy ngân được buộc vào hệ thống xốp aerogel để xác địnhkích thước lỗ chân lông, nhưng phương pháp này không hiệu quả cao vì khung vững chắccủa aerogel sẽ sụp đổ do lực nén cao Phương pháp tán xạ liên quan đến độ lệch phụ thuộcgóc của bức xạ trong mẫu aerogel Mẫu có thể là các hạt rắn hoặc các lỗ rỗng Bức xạ đivào vật liệu và xác định dạng hình học đứt gãy của mạng lưới lỗ xốp aerogel Các bướcsóng bức xạ tốt nhất để sử dụng là tia X và neutron Aerogel cũng là một mạng xốp mở:

sự khác biệt giữa mạng xốp mở và mạng xốp kín là trong mạng mở, các chất khí có thể đivào và rời khỏi chất mà không có giới hạn nào, trong khi mạng xốp kín giữ các khí bêntrong vật liệu một cách cưỡng bức chúng nằm trong lỗ chân lông Độ xốp và diện tích bềmặt cao của silica aerogel cho phép chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng lọc môitrường khác nhau

2.4 Khả năng dẫn nhiệt

Aerogel có độ dẫn nhiệt nhỏ hơn độ dẫn nhiệt của chất khí mà chúng chứa Điềunày gây ra bởi hiệu ứng Knudsen, sự giảm độ dẫn nhiệt trong chất khí khi kích thước củakhoang bao quanh chất khí trở nên tương đương với đường dẫn tự do trung bình Cáckhoang hạn chế chuyển động của các phần tử khí, giảm độ dẫn nhiệt bằng việc loại bỏ sựđối lưu Ví dụ, độ dẫn nhiệt của không khí là khoảng 25 mW/m.K ở nhiệt độ và áp suấttiêu chuẩn (273K, 1 atm) và trong một bình chứa lớn, nhưng giảm xuống còn khoảng 5mW/m.K ở lỗ có đường kính 30 nanomet [22]