Bagaimana Aerogel Bekerja?

Aerogel, bahan yang dibuat berdasarkan taruhan antara dua ilmuwan pada akhir 1920-an, mungkin merupakan zat paling unik di Bumi . Ini adalah benda padat paling ringan yang pernah ada -- Guinness World Records bahkan mengatakan demikian -- tetapi ia dapat menopang 500 hingga 4.000 kali beratnya sendiri (tergantung pada siapa Anda bertanya) [sumber: NASA JPL, Guiness ; Steiner, Gravitasi Nol ]. Satu inci kubik aerogel dapat disebarkan untuk menutupi seluruh lapangan sepak bola . Ini bernapas dan tahan api, dan menyerap minyak dan air . Aerogel juga luar biasa kuat, mengingat beratnya. Aerogel dapat menjadi konduktor listrik yang hebat , namun ketika dibuat dari bahan yang berbeda, mereka juga merupakan salah satu isolator terbaik yang pernah dikenal [sumber:Steiner, Gravitasi Nol ]. Jadi mengapa aerogel tidak mendapatkan pengakuan nama A-list yang layak mereka dapatkan?

Sayangnya, memproduksi produk unik seperti itu membutuhkan waktu dan uang yang luar biasa , sebagian karena hanya sejumlah kecil aerogel yang dibuat dalam setiap batch. Meskipun memproduksi lebih banyak aerogel pada suatu waktu akan menurunkan harganya, proses dan bahannya saja memiliki label harga yang tinggi sekitar $1,00 per sentimeter kubik. Dengan harga sekitar $23.000 per pon, aerogel saat ini lebih mahal daripada emas [sumber: NASA JPL, FAQ ]!

Produk yang berharga seperti itu tampaknya berada di sebelah berlian dan mutiara di dalam kotak perhiasan ahli waris. Tetapi aerogel lebih mungkin ditemukan untuk mengisolasi roket atau cat yang mengental daripada menghiasi sosialita kaya. Sementara aerogel mungkin tidak seglamor emas, mereka melakukan tugas mereka tanpa rekan.

Dalam artikel ini, kita akan mengeksplorasi apa yang membuat aerogel unik, dari penemuannya di California pada akhir 1920-an, hingga perjalanan mereka mengumpulkan debu luar angkasa pada 1999. Kita juga akan melihat apa yang akan terjadi di masa depan bagi aerogel dan apakah memang ada cara untuk membuat mereka lebih hemat biaya untuk masyarakat umum. Akhirnya, kami akan menunjukkan kepada Anda bagaimana Anda dapat membuat aerogel Anda sendiri -- secara mengejutkan, hal itu dapat dilakukan.

Baca terus untuk mengetahui lebih lanjut tentang bagaimana aerogel pertama kali muncul dan bagaimana zat yang dapat beradaptasi ini dibuat.

1. Sejarah Aerogel
2. Jenis Aerogel
3. Aerogel di Luar Angkasa
4. Penggunaan Aerogel Sehari-hari
5. Masa Depan Aerogel

Legenda aerogel diselimuti misteri. Apa yang kita ketahui adalah bahwa pada akhir 1920-an, profesor kimia Amerika Samuel Kistler bertaruh dengan koleganya Charles Learned. Kistler percaya apa yang membuat suatu objek menjadi gel bukanlah sifat cairnya tetapi strukturnya: khususnya, jaringan pori-pori mikroskopis kecil yang dikenal sebagai nanopori. Mencoba membuktikan ini hanya dengan menguapkan cairan menyebabkan gel mengempis seperti souffle. Jadi, tujuan permainannya adalah menjadi yang pertama mengganti cairan dalam "jeli" dengan gas, tetapi tanpa menyebabkan kerusakan pada strukturnya [sumber: Steiner, Zero Gravity ].

Setelah banyak percobaan dan kesalahan, Kistler adalah orang pertama yang berhasil menggantikan cairan gel dengan gas, menciptakan zat yang secara struktural gel, tetapi tanpa cairan. Pada tahun 1931 ia menerbitkan temuannya dalam sebuah artikel berjudul "Coherent Expanded Aerogels and Jellies" di jurnal ilmiah Nature [sumber: Ayers, Pioneer ].

Aerogel dimulai sebagai gel, yang disebut alcogel . Alcogel adalah gel silika dengan alkohol di dalam pori-porinya. Hanya dengan menguapkan alkohol dari struktur silika akan menyebabkan struktur berkontraksi, seperti spons basah yang akan berubah bentuk jika dibiarkan di atas meja untuk dikeringkan. Alih-alih hanya mengandalkan penguapan, gel harus dikeringkan secara superkritis. Inilah yang diperlukan:

Pengeringan superkritis adalah bagaimana bagian "alco" cair dari alkogel berubah menjadi gas di dalam nanopori silika tanpa strukturnya runtuh. Alkogel yang alkoholnya dihilangkan sekarang disebut aerogel, karena alkoholnya telah diganti dengan udara. Dengan hanya 50 hingga 99 persen dari volume bahan aslinya, aerogel adalah bahan yang ringan, fleksibel, dan berguna [sumber: Steiner, Zero Gravity ].

Lanjutkan ke halaman berikutnya untuk mempelajari tentang jenis aerogel yang paling umum digunakan saat ini.

Tiga jenis aerogel yang paling umum adalah silika, karbon, dan oksida logam, tetapi silikalah yang paling sering digunakan secara eksperimental dan dalam aplikasi praktis. Ketika orang berbicara tentang aerogel, kemungkinan mereka berbicara tentang jenis silika [sumber: Aerogel.org, Silica ]. Silika tidak sama dengan silikon, yang merupakan semikonduktor yang digunakan dalam microchip. Silika adalah bahan kaca yang sering digunakan untuk isolasi.

Berbeda dengan aerogel silika biru berasap, aerogel berbasis karbon berwarna hitam dan terasa seperti arang saat disentuh. Apa yang mereka kurang dalam penampilan, mereka menebus di area permukaan yang tinggi dan kemampuan konduktif listrik . Sifat-sifat ini membuat aerogel karbon berguna untuk superkapasitor, sel bahan bakar , dan sistem desalinasi [sumber: Aerogel.org, Organik ].

Aerogel oksida logam terbuat dari oksida logam dan digunakan sebagai katalis untuk transformasi kimia. Mereka juga digunakan dalam produksi bahan peledak dan nanotube karbon, dan aerogel ini bahkan dapat bersifat magnetis . Apa yang membedakan aerogel oksida logam seperti oksida besi dan kromia dari sepupu silika mereka yang lebih umum adalah rentang warna yang sangat cerah. Ketika dibuat menjadi aerogel, oksida besi memberikan aerogel dalam warna karat khasnya. Chromia aerogels tampak hijau tua atau biru. Setiap jenis oksida logam menghasilkan aerogel dengan warna yang sedikit berbeda. [sumber: Aerogel.org, Logam ].

Aerogel silika -- aerogel yang paling umum -- berwarna biru karena alasan yang sama dengan langit yang berwarna biru. Warna biru terjadi ketika cahaya putih bertemu dengan molekul silika aerogel, yang lebih besar dari panjang gelombang cahaya. Aerogel menyebarkan, atau memantulkan, panjang gelombang cahaya yang lebih pendek lebih mudah daripada yang lebih panjang. Karena cahaya biru dan ungu memiliki panjang gelombang terpendek, mereka menyebar lebih banyak daripada warna lain dari spektrum yang terlihat. Kami melihat panjang gelombang yang tersebar sebagai warna, dan karena mata kami lebih sensitif terhadap panjang gelombang biru, kami tidak pernah melihat yang ungu [sumber: Steiner, Zero-Gravity ].

Baca terus untuk mempelajari lebih lanjut tentang aplikasi aerogel di luar angkasa.

Air vs. Alkohol

Alcogel memiliki pori-pori yang diisi dengan alkohol, tetapi bagaimana jika Anda menggunakan air sebagai gantinya? Dalam percobaan pertamanya, Kistler menggunakan hidrogel , yang mengandung air. Saat pengeringan, gel ini berperilaku seperti Jell-O. Mereka terurai menjadi gumpalan yang lengket dan berantakan karena cairan dalam hidrogel menguap terlalu cepat sehingga zat tersebut tidak dapat mempertahankan bentuknya. Dengan setiap molekul yang merembes keluar, yang lain mencoba mengisi celah. Hal ini menyebabkan apa yang dikenal sebagai tekanan kapiler di dalam pori-pori gel, menyebabkan seluruh struktur runtuh [sumber: Hunt and Ayers, History ].

Fleksibilitas Aerogel telah membuatnya sangat penting baik di Bumi maupun di luar angkasa. Ini telah memenuhi berbagai peran di beberapa misi NASA , dari mengisolasi peralatan listrik penjelajah Mars hingga menangkap debu luar angkasa dari komet yang melaju kencang .

Komet adalah objek primitif yang berasal dari kelahiran tata surya. Saat mereka terbang melintasi ruang angkasa, mereka membuang partikel yang disebut debu luar angkasa. Debu luar angkasa ini banyak dicari oleh para ilmuwan yang berharap bisa mengajari kita bagaimana dunia kita dimulai.

Pada misi untuk menangkap sampel komet dan debu luar angkasa pada tahun 1999, NASA meluncurkan pesawat ruang angkasa yang menempuh jarak 4,8 miliar kilometer (setara dengan 6.000 perjalanan ke bulan) untuk mencapai komet Wild 2. Sesampai di sana, pengumpul debu berbentuk raket tenis dibuka. dan menggunakan 260 kubus aerogelnya untuk menangkap partikel debu antarbintang yang cepat dan mengawetkannya dalam keadaan alaminya [sumber: NASA JPL, Aerogel ]. Terlebih lagi, saat partikel membombardir pengumpul debu, mereka meninggalkan jejak di dalam kubus aerogel pengumpul sambil melambat hingga berhenti. Jejak ini memungkinkan para ilmuwan untuk lebih mudah menemukan partikel kecil dari luar angkasa.

Ketika pesawat ruang angkasa tiba di rumah pada tahun 2006, ia membawa kembali sampel pertama yang kembali ke Bumi dari luar angkasa dalam lebih dari 30 tahun. Daya tahan Aerogel memungkinkan pengumpul debu untuk kembali dari luar angkasa dengan utuh tanpa satu pun ubin aerogel yang hilang. Para ilmuwan telah dapat mempelajari debu dan kristal yang terkandung dalam aerogel dan menunggu wawasan yang mungkin mereka bawa [sumber: Bridges ].

Selanjutnya, kita akan belajar tentang beberapa aplikasi komersial aerogel.

Pada hari-hari awal mereka, aerogel dipasarkan sebagai agen pengental dan digunakan dalam segala hal mulai dari riasan dan cat hingga napalm . Mereka juga digunakan sebagai filter rokok dan isolasi untuk freezer. Monsanto adalah perusahaan pertama yang memasarkan aplikasi komersial aerogel. Namun, metode pengeringan superkritis Kistler, meskipun efektif, juga berbahaya, memakan waktu, dan mahal. Setelah 30 tahun berproduksi, semua faktor ini membuat Monsanto menghentikan fokusnya pada aerogel pada 1970-an.

Namun, ini bukan akhir dari aerogel. Tidak lama setelah ditinggalkan oleh Monsanto, para ilmuwan mengembangkan proses yang membuat produksi aerogel menjadi kurang beracun dengan menggunakan senyawa alkoksida yang lebih aman. Mereka juga membuatnya kurang berbahaya dengan mengganti alkohol superkritis dengan karbon dioksida superkritis dalam proses pengeringan. Perkembangan ini mengurangi waktu yang dihabiskan untuk mengeringkan aerogel dan mengurangi sifat berbahaya dan mudah terbakar dari produksinya. Kemajuan seperti itu membuat aerogel sedikit lebih layak secara komersial lagi, dan para ilmuwan semakin tertarik dengan kemungkinan produk tersebut. [sumber: Hunt and Ayers, History ]

Karena produksi aerogel dibuat tidak terlalu rumit dan berbahaya, sifat uniknya telah membuat aerogel populer di berbagai industri. Produsen silikon, produsen bahan bangunan rumah, dan badan antariksa semuanya menggunakan aerogel. Popularitasnya hanya terhalang oleh biaya, meskipun ada dorongan yang semakin berhasil untuk menciptakan aerogel yang hemat biaya. Sementara itu, aerogel dapat ditemukan dalam berbagai produk:

[sumber: Aerogel.org, Sejarah Modern ]

Karena struktur aerogel yang unik, penggunaannya sebagai isolator tidak perlu diragukan lagi. Kantong udara super-isolasi dengan struktur aerogel hampir seluruhnya melawan tiga metode perpindahan panas: konveksi, konduksi dan radiasi [sumber: Cabot Corporation ]. Meskipun aerogel masih cukup mahal, kabar baiknya adalah penelitian telah menunjukkan bahwa insulasi aerogel yang digunakan dalam rangka dinding dan area yang sulit diisolasi seperti jendela berkedip dapat menghemat pemilik rumah hingga $750 per tahun. Selain membantu pemilik rumah menghemat uang, isolasi aerogel dapat secara signifikan mengurangi jejak karbon Anda. [sumber: Aspen Aerogels, New Spaceloft ]. Perusahaan berlomba mencari cara untuk menurunkan biaya, tetapi untuk saat ini, aerogel lebih terjangkau bagi NASAdaripada masyarakat umum. Namun, aerogel digunakan oleh perusahaan konstruksi, pembangkit listrik, dan kilang. Mungkin ketika harganya lebih terjangkau, aerogel akan mencapai status A-list itu.

Dari Bumi ke luar angkasa, aerogel tidak diragukan lagi memiliki tempat di masa depan kita. Baca terus untuk mengetahui tentang kemajuan aerogel baru-baru ini dan bagaimana Anda juga dapat bereksperimen dengan aerogel.

Meskipun aerogel mahal, para peneliti masih bereksperimen dengan cara membuatnya lebih kuat, lebih murah, dan tidak terlalu berbahaya. Misalnya, Profesor Nicholas Leventis dari Universitas Sains dan Teknologi Missouri mengejutkan dunia sains pada tahun 2002 dengan pengumuman bahwa ia telah mengembangkan metode untuk membuat aerogel yang tidak rapuh. Aerogel Leventis, yang dikenal sebagai x-aerogel , tidak hanya lebih kuat; mereka juga lebih fleksibel, tahan air dan tahan benturan. Kelemahannya adalah produksi x-aerogel membutuhkan lebih banyak bahan kimia berbahaya dan membutuhkan lebih banyak waktu; bahan kimia ini juga menurunkan kemampuan isolasinya [sumber: Aerogel.org, Strong ]. Terlepas dari beberapa hal negatif, x-aerogel memiliki kemungkinan aplikasi berikut:

[sumber: Leventis ]

Selain itu, aerogel dapat membantu mendorong teknologi yang lebih "hijau". Aerogel karbon memiliki potensi besar untuk superkapasitor dan sel bahan bakar untuk mobil hemat energi. Faktanya, kapasitas penyimpanan energi aerogel karbon dapat menghasilkan banyak teknologi baru, tetapi hanya jika harga produksi aerogel menjadi lebih terjangkau untuk operasi skala besar.

Kabar baiknya adalah Anda tidak harus menjadi ilmuwan riset yang didanai dengan baik untuk bereksperimen membuat aerogel baru. Ingin membuat aerogel sendiri? Meskipun mungkin untuk melakukan ini di rumah, paling baik dilakukan di laboratorium yang berisi semua bahan yang diperlukan, termasuk autoklaf untuk mengeringkan aerogel Anda secara superkritis. (Jika Anda merasa sangat produktif, berikut adalah petunjuk tentang cara membuat pengering superkritis Anda sendiri.) Tanyakan di sekitar universitas atau perguruan tinggi setempat Anda; kemungkinan besar, jika Anda memberi tahu mereka bahwa Anda memiliki resep yang ingin Anda kerjakan, mereka mungkin mengizinkan Anda menggunakan peralatan mereka [sumber: Hunt and Ayers, Making ; Aerogel.org, Bangun ].

Beberapa situs Web memberikan instruksi tentang cara membuat aerogel, termasuk aerogel.org dan yang ini dari University of California . Terlepas dari di mana Anda membuat aerogel Anda, tindakan pencegahan keamanan adalah suatu keharusan. Kenakan kacamata, sarung tangan (jenis terbaik adalah sarung tangan pencuci piring), celana panjang, sepatu tertutup dan masker pelukis untuk melindungi diri Anda dari asap berbahaya dan bahan yang mudah terbakar. [sumber: Steiner, Cara Membuat ; Berburu dan Ayers, Membuat ]

Aerogels -- apakah ada yang tidak bisa mereka lakukan? Mudah-mudahan publik akan menjadi nama depan dengan mereka dalam waktu dekat. Untuk informasi lebih lanjut tentang aerogel dan topik terkait, lihat tautan di halaman berikutnya.

Artikel Terkait

Lebih Banyak Tautan Hebat