آیروژل‌ها موادی به سبکی هوا

آیروژل‌ها دسته‌ای از فوم‌های با حفرات باز و مزوپور هستند که می‌توانند چندین ویژگی فیزیکی و شیمیایی را در بالاترین حد در ماده جامد ترکیب کنند.

تخلخل‌های بسیار زیاد(تا 99.9٪)، فضای خالی داخلی بسیار زیاد، نسبت سطح به جرم بسیار زیاد و چگالی ویژه کم از ویژگی‌هایی است که باعث می‌شود که آیروژل‌ها در بین سایر مواد جامد بی‌نظیر باشند.

آیروژل‌ها بسته به ترکیبات شیمیایی و فیزیکی می‌توانند عایق‌های حرارتی و صوتی قوی، دی الکتریک ها، فیلترها، جمع کننده ذرات با سرعت بالا، مواد ذخیره کننده گاز و انرژی و همچنین هادی‌های الکتریکی و سنسورها باشند.

دسته بندی آیروژل‌ها

آیروژل‌ها بر پایه­ی مواد مختلفی می­توانند باشند. از انواع آنها، می‌توان به آیروژل­های بر پایه‌ی سیلیکا، آیروژل‌های برپایه‌­ی اکسیدهای فلزی، آیروژل‌های آلی، آیروژل­های کربنی و آیروژل‌های ترکیبی و هیبرید اشاره کرد.

در ادامه به برخی از انواع رایج آیروژل و ساختارشان اشاره می‌شود.

آیروژل سیلیکا:

تاکنون مطالعات بسیاری روی این دسته از آیروژل­ها انجام شده است. سنتز آن ها با واکنش‌های هیدرولیز و تراکمی آلکوکسیدهای سیلیکون  مانند تترا اتوکسی سیلان در متانول یا سدیم سیلیکات در آب صورت می‌گیرد.

پس از سنتز ژل سیلیکا، محصول نهایی با خشک کردن و تبخیر آب موجود در ساختار، آیروژل سیلیکا به دست می‌آید.

از ویژگی­‌های آن تخلخل 80 تا 99.8 درصد، مدول الاستیک 0.002 تا 100 مگاپاسکال، چگالی 0.003تا 0.5 گرم بر سانتی متر مکعب، شاخص نسوزی بسیار پایین، ضریب دی الکتریک بسیار پایین و سرعت پایین عبور نور از ماده است.

شکل زیر خاصیت نسوزی آیروژل سیلیکایی را به نمایش می‌گذارد. اما مهمترین چالش آیروژل سیلیکا، شکنندگی آن است.

آیروژل کربنی:

آیروژل‌های کربنی مواد کربنی بی شکل بسیار متخلخل هستند که از آیروژل‌های آلی بدست می‌آیند.

آنها از خوشه‌های به هم پیوسته نانوذرات کربن تشکیل شده‌اند که قطر آنها از 3 تا 20 نانومتر است. برای تبدیل آیروژل های آلی به شکل کربنی، یک فرآیند پیرولیز یا کربونیزاسیون تحت گازهای بی اثر (نیتروژن، آرگون یا هلیوم) در دمای بالاتر از 600 درجه سانتیگراد لازم است.

پس از تجزیه در اثر حرارت، یک شبکه کربنی متخلخل شامل دو ناحیه آمورف و گرافیت با مقدار زیادی تخلخل ایجاد می‌شود.

آیروژل‌های کربنی به دلیل ساختار شبکه‌ای رسانای جریان الکتریکی، مزوپروزبودن، چگالی کم و سطح زیاد، به عنوان الکترودهای ذخیره هیدروژن و انرژی الکتریکی مانند ابر خازن ها و باتری‌های قابل شارژ، عایق‌های حرارتی و صوتی، جاذب‌ها، مواد جاذب دیونیزاسیون خازنی ، کاتالیزور، پشتیبان و حسگرها مناسب ارزیابی می‌شوند.

شکل زیر نمایی از خاصی استحکام یک آیورژل گرافنی را نشان می‌دهد

چالش ­ها و فرصت ها

چالش عمده برای آیروژل‌ها تولید انبوه کارآمد آنها است. پیش سازهای گران و سمی، فرایندهای تولید وقت گیر و پر کار (به عنوان مثال، مبادلات چندگانه حلال و خشک شدن فوق بحرانی) آیروژل‌ها از چالش‌های تولید آنها در مقیاس صنعتی است.

علاوه بر این، حتی اگر برخی از انواع آیروژل‌ها ذاتاً قوی باشند، اما بیشتر آیروژل‌ها از عدم مقاومت مکانیکی و شکنندگی رنج می‌برند، که استفاده از آنها چالش برانگیز است.

اگرچه اخیراً، مواد اولیه ارزان قیمت، غیر سمی و به راحتی در دسترس از نظر کاهش هزینه برای تولید آیروژل‌ها علاقه زیادی به خود جلب کرده‌اند.

به عنوان مثال، از پلیمرهای طبیعی حاصل از منابع تجدید پذیرحاوی مونومرهای فنولی می‌توان به عنوان جایگزینی برای رزورسینول استفاده کرد، که معمولاً برای ساخت آیروژل های آلی استفاده می‌شود.