Sebagai seorang anak, Anda mungkin pernah bermimpi menyentuh awan di beberapa titik. Meskipun tampaknya mustahil pada saat itu, mimpi itu tidak terlalu mengada-ada seperti yang Anda harapkan; impian memegang sepotong langit itu mungkin bisa dicapai.

Percaya atau tidak, ada bahan padat yang dikenal sebagai aerogel yang dapat Anda pegang yang terbuat dari 99,8% udara. Untuk meletakkannya dalam perspektif yang berbeda, dibutuhkan 150 aerogel seukuran bata untuk memperhitungkan berat satu galon air. Mereka adalah bahan padat paling ringan di planet ini yang tahan panas 1400° C!

Apa istimewanya aerogel?

Untuk memahami bagaimana aerogel dibuat , pertama-tama kita harus memahami apa itu hidrogel. Hidrogel adalah polimer berikatan silang 3 dimensi yang memiliki kemampuan menahan banyak air.

Aerogel pada dasarnya adalah hidrogel, kecuali air digantikan oleh udara. Ini memberikan sifat mekanik yang luar biasa untuk dimiliki:

1. Potensi untuk digunakan sebagai material yang sangat ringan (99,8% udara) untuk aplikasi industri.
2. Kepadatan yang sangat rendah mulai dari 0,0011 hingga ~0,5 g cm³ berkontribusi pada bobotnya yang rendah.
3. Porositas tinggi > 85%.
   Catatan: Porositas adalah rasio rongga dalam material terhadap volume material (pada dasarnya aerogel memiliki banyak lubang atau ruang di dalamnya)
4. Area permukaan yang sangat luas sekitar 500–1500 m²/g. Mungkin terlihat aneh bahwa bahan yang begitu ringan memiliki luas permukaan yang begitu besar. Rahasianya terletak pada pori-pori nanonya: ada begitu banyak pori-pori nano yang dipadatkan ke dalam material, yang setelah dihamparkan, dapat menutupi hingga setengah ukuran lapangan sepak bola!
5. Ini memiliki pori-pori yang sangat kecil , sekitar 20-40nm, yang berarti molekul udara dan gas tidak dapat bergerak bebas (molekul gas membutuhkan setidaknya 1 mm untuk bergerak di sekitar pori-pori). Akibatnya, panas tidak mudah menyebar ke seluruh material, memungkinkan material menahan suhu yang luar biasa sekaligus menjadikannya sebagai isolator termal yang luar biasa!
6. Aerogels dapat menahan hingga 4000x kali beratnya sendiri! Namun, karena densitasnya yang rendah, banyak aerogel yang masih sangat rapuh. Menjatuhkan kubus aerogel dapat memecahnya menjadi jutaan keping karena bersifat amorf (tidak memiliki struktur kristal). Aerogel silika adalah contoh dari bahan amorf ini.

Aplikasi Industri:

Kemampuannya yang luar biasa untuk memerangkap begitu banyak panas menjadikannya kandidat yang bagus untuk menyekat bangunan, kendaraan, dan bahkan pakaian. Manik-manik aerogel dicampur dengan bahan bangunan seperti lembaran polimer untuk memerangkap panas pada bangunan dan bahkan kendaraan.

Sektor bangunan menyumbang hampir 40% dari konsumsi energi global . Aerogel yang digunakan sebagai isolator termal mampu mencapai pengurangan 15% ! Ini berarti jutaan ton CO2 dipotong dari emisi.

Manik-manik aerogel ini bahkan dapat ditambahkan ke serat pakaian untuk memaksimalkan kehangatan. Dalam sebuah penelitian yang dilakukan oleh Oros , sebuah perusahaan yang memanfaatkan teknologi aerogel dengan pakaiannya, jaket komposit aerogel memerangkap panas pada suhu 89 derajat Fahrenheit di ruangan bersuhu -321 derajat Fahrenheit.

Aerogel memiliki aplikasi bahkan di luar insulasi panas — mereka dapat digunakan untuk menyerap partikel polusi dalam air yang mungkin disebabkan oleh tumpahan minyak dan bahan kimia . Dengan menggunakan prekursor anionik bermuatan negatif aerogel, atau bahan gel dasar seperti alginat, ion menarik ion logam yang ditemukan dalam polutan berbahaya.

Shaoqin “Sarah” Gong , seorang peneliti di Wisconsin Institute for Discovery 's BIONATES , bersama dengan mahasiswa pascasarjana Qifeng Zheng , dan pemimpin proyek Zhiyong Cai di Laboratorium Produk Hutan USDA , baru-baru ini mematenkan aerogel berbasis selulosa yang memiliki kemampuan menyerap partikel dari tumpahan minyak! Teknologi ini bahkan sedang dieksplorasi dengan desalinasi (proses menghilangkan garam dan mineral dari air), karena prekursor anionik mampu menarik dan menyerap ion kationik klorida dari NaCl, memisahkan senyawa ini dari air!

Terutama, aerogel saat ini sedang dalam eksplorasi luar angkasa oleh NASA untuk menangkap dan mempelajari debu komet untuk penelitian ; itu juga digunakan dalam penjelajah isolasi yang bepergian dan menjelajahi Mars.

Di masa depan, aerogel pasti bisa menggantikan produk plastik di berbagai industri. Misalnya, bagian plastik dirgantara dapat dibuat dari aerogel untuk mengurangi berat infrastruktur pesawat dan menghemat uang dan bahan bakar karena insulasi panas aerogel yang tinggi.

⭐ Lihat beberapa definisi istilah yang dapat ditemukan di glosarium!

Jenis Aerogel di Pasaran

• silika aerogel
• Karbon Aerogel
• Aerogel Carbon Nanotube
• Aerogel Oksida Logam
• Aerogel Logam
• Aerogel Berstruktur Nano Semikonduktor

Silikon

• Tahan panas tinggi dan isolasi listrik
• Digunakan untuk isolasi, konstruksi, chip komputer

• Transparansi tinggi
• Tahan panas tinggi
• Digunakan dalam kaca, serat optik, tembikar

• Titik leleh + titik didih tinggi
• Semikonduktor untuk chip & elektronik, perekat, insulasi listrik

Bahan aerogel terbilang baru sebagai teknologi yang sedang berkembang, namun diproyeksikan memiliki valuasi sekitar 2 miliar USD pada tahun 2028 dengan CAGR 15,1% dari tahun 2020 hingga 2028. Pengembangan teknologi ini tertunda oleh pandemi pada tahun 2020 tetapi aerogel polimer sedang diterapkan untuk banyak bahan isolasi. Aerogel yang paling populer adalah aerogel silika yang memiliki pangsa pendapatan lebih dari 67% pada tahun 2020 dari ukuran pasar aerogel global sebesar 818,9 juta USD ($548,6 juta USD). Sementara itu, penggunaan teknologi pengeringan superkritis untuk mengembangkan aerogel menghasilkan bagi hasil sebesar 74% ($605,9 juta USD) pada tahun 2020, memimpin dalam industri minyak dan gas.

Aerogel dijual dalam berbagai bentuk dan bentuk di pasar ritel saat ini dari partikel dan cakram hingga silinder dan selimut. (Titik harga aerogel termurah yang dapat kami temukan adalah silika aerogel yang dijual seharga $9,95 di eBay .)

Isu Pembangunan Saat Ini

Tidak diragukan lagi, bahan-bahan ini memiliki potensi untuk mengubah penggunaan bahan-bahan yang berkelanjutan di dunia. Tetapi mereka memiliki satu masalah - biayanya.

Pada 2022, harga aerogel 1 dolar per sentimeter kubik. Sebagai perbandingan, PET, yang merupakan plastik paling umum, berharga 10,14 sen per pon.

Satu botol air plastik 500 ml yang dibuat di AS harganya sekitar 2 sen ; Anda dapat membuat 50 botol air plastik dibandingkan dengan satu sentimeter kubik bahan aerogel hanya dengan satu dolar.

Satu sentimeter kubik sama dengan satu gram, dan kira-kira ada 454 gram dalam satu pon. Melakukan beberapa matematika, ini berarti bahwa plastik PET harganya kira-kira 0,0002 dolar per gram , membuatnya 10.000x lebih murah daripada aerogel! Aduh!

Ini secara drastis menghambat kemampuan komersial apa pun, membatasi bahan ini untuk digunakan hanya dalam kondisi dan aplikasi yang sangat spesifik.

Bagaimana kita bisa mengubahnya? Bagaimana kita bisa membuat bahan ini lebih murah untuk produksi massal?

Untuk mengembangkan hipotesis kami dalam mengatasi masalah ini, kami akan melalui proses pembuatan yang membuat bahan ini sangat mahal.

Rangkuman Masalah Utama:
1) Proses pembuatan membutuhkan banyak tenaga, waktu, dan biaya .
2) Daya tahan aerogel perlu dioptimalkan untuk mencegah keruntuhan amorf
3) Biaya aerogel perlu diskalakan terhadap pasar bahan berkelanjutan ( jika kita mengembangkan cara untuk menghindari penggunaan CO2 dalam pengeringan superkritis yang akan menambah emisi karbon negatif )

⚒️ Penelitian & Pengembangan Ide

Nilai

Pertama-tama kita perlu mengidentifikasi nilai dan properti yang ingin kita tegakkan dengan bahan-bahan ini. Dengan kata lain, bagaimana kita ingin materi ini dihasilkan?

Daya tahan ✅

Pertama, gel harus tahan lama , dan cukup kuat untuk bersaing dengan plastik.

Aerogels saat ini memiliki modulus kompresi sekitar 176 kPa. Ini akan sama dengan 1,76 kg gaya yang bertumpu pada area seluas 1 cm persegi. Sebagai perbandingan, plastik memiliki kPa sekitar 1.000.000.

Terlepas dari celah yang sangat besar ini , aerogel tertentu, seperti Airloys yang diproduksi oleh Aspen Aerogels, dan X-aerogels, telah menunjukkan kemampuan menahan hingga 20.000 kali beratnya sendiri dan lebih banyak lagi!

Namun, untuk mencapai daya tahan seperti itu, mereka membutuhkan lebih banyak langkah daripada aerogel konvensional; agen pengikat silang tambahan dan pelapis polimer diperlukan untuk mencapai kekuatan mekanik (akan dibahas nanti).

Keberlanjutan ✅

Selain itu, kami ingin mengembangkan bahan aerogel yang mempromosikan semacam keberlanjutan , agar dapat diterapkan pada lingkungan yang lebih hijau. Jika bahan ini akan dikomersialkan dalam skala besar, kita harus memastikan tidak merusak lingkungan yang sudah rapuh. Aerogel ini, biasanya terbuat dari polimer organik seperti selulosa dan alginat, sudah ada saat ini.

Sekarang setelah kita menyelesaikannya, mari kita mulai dengan prosesnya!

Proses Pembuatan Aerogel

Pertama, kita perlu menyiapkan prekursor atau bahan dasar. Contohnya termasuk selulosa, alginat, dan yang paling umum: silika. Untuk tujuan kami, kami akan menggunakan selulosa, karena mencakup kedua nilai utama kami: daya tahan, dan biodegradabilitas.

Selanjutnya datang pembubaran bahan ini menjadi pelarut. Pelarut adalah cairan yang mampu melarutkan zat terlarut, seperti prekursor kita.

Selulosa tidak dapat dilarutkan menggunakan pelarut organik, jadi yang sintetis, natrium hidroksida, harus digunakan. Disolusi biasanya dilakukan pada suhu kamar ketika pelarut cair, menggunakan pH dasar untuk menyebabkan waktu pembentukan gel lebih lama.

Waktu pembentukan gel yang lebih lama menguntungkan untuk menghasilkan bahan yang lebih seragam. Untuk lebih memudahkan pembubaran, campurkan larutan dengan homogenizer setidaknya selama 24 jam. Mesin ini biasanya berharga sekitar 300–1000 dolar .

Setelah larutan diatur menjadi gel (ini disebut gelasi), kita harus mengikatnya secara silang untuk memberikan daya tahan dan struktur ekstra. Ada dua cara untuk melakukan ini:

1. Pengikatan silang kimiawi melibatkan zat pengikat silang kimiawi, seperti asam sitrat, yang akan memungkinkan prekursor dalam larutan untuk berikatan silang dengan pelarut.
2. Alternatif lain adalah dengan menghubungkan gel secara fisik . Ini akan memanfaatkan suhu ekstrem untuk mengaktifkan rantai polimer di monolit. Metode yang paling umum adalah dengan menggunakan metode free-thaw . Proses ini membekukan gel agar rantai dari prekursor lebih dekat dengan yang ada di pelarut dan biasanya diaktifkan dengan menempatkan aerogel di lemari es setidaknya selama 24 jam .

Koagulasi adalah proses di mana muatan koloid yang tersuspensi dalam larutan dinetralkan, mendestabilisasi gaya yang membuat koloid terpisah, dan dengan demikian mendekatkan mereka. Ini adalah mekanik umum yang terlihat dalam darah.

Dalam kasus selulosa dan natrium hidroksida, mereka mengandung satu ton gugus hidroksida bermuatan negatif. Dengan penambahan etanol, gugus-gugus ini dinetralkan untuk didekatkan.

Setelah ini selesai, pertukaran pelarut dilakukan untuk memurnikan gel . Hal ini dilakukan dengan merendam bahan ke dalam air deionisasi (atau suling) setidaknya selama 24 jam untuk memastikan semua pelarut yang tertinggal dihilangkan. Hal ini diperlukan untuk mencegah kerangka gel runtuh saat dikeringkan (akan membahasnya nanti!)

Pada tahap ini, hidrogel siap untuk dikeringkan menjadi aerogel, namun bahannya akan sangat rapuh. Di sinilah Airloys dan X-aerogel berperan. Untuk membuat aerogel lebih kuat dan dapat diterapkan pada penggunaan komersial, Aspen Aerogels telah menemukan cara untuk membuat bahan ini lebih kuat. Ini melibatkan banyak pertukaran pelarut dan penambahan apa yang dikenal sebagai lapisan polimer di sekitar rantai hidrogel .

Lapisan polimer ini bereaksi dengan gugus OH yang lengket (ikatan hidrogen!) Untuk lebih memperkuat struktur gel.

Mari kita uraikan:

Pertama, pelarut yang sudah ada dalam gel ditukar dengan pelarut yang dapat melarutkan polimer tambahan yang akan ditambahkan. Saat ini hanya ada polimer sintetik yang tersedia untuk digunakan sebagai dasar pelapis ini, jadi sulit untuk menemukan yang organik.

Kami mengusulkan, dalam kasus selulosa, selulosa asetat digunakan sebagai polimer, bersama dengan aseton sebagai pelarut, karena gugus hidroksida yang ada dalam polimer ini akan membantunya berikatan dengan selulosa dalam gel kami, serta natrium hidroksida.

Untuk memulai, selulosa asetat dilarutkan dalam aseton. Semakin banyak polimer, semakin kuat gelnya. Hidrogel kemudian direndam dalam larutan ini setidaknya selama 24 jam. Hal ini memungkinkan pelarut untuk ditukar sekali lagi.

Gel kemudian ditempatkan dalam oven ( biasanya sekitar 60°C ) untuk mengaktifkan zat pelapis polimer dan membiarkannya bereaksi dengan gugus OH, membentuk lapisan.

Pemurnian diperlukan sekali lagi untuk menghilangkan pelarut akses yang tertinggal menggunakan air suling.

Terakhir, kami mengeringkan hidrogel, menyedot cairannya dan menggantinya dengan udara. Sayangnya, mengeringkan hidrogel tidak semudah kelihatannya; seseorang tidak bisa begitu saja menguapkan pelarut.

Ini karena aksi kapiler . Jika cairan hanya disedot keluar dari kerangka gel, gugus OH yang lengket ikut ditarik bersamanya, yang berarti seluruh struktur gel runtuh atau mengecil/mengental.

Untuk menghindari hal ini, cara paling umum untuk mengeringkan gel ini adalah pengeringan superkritis. Pengeringan superkritis melewati fase cair-gas, menghindari masalah tekanan kapiler sama sekali.

Bagaimana cara kerjanya?

Cairan memiliki apa yang dikenal sebagai titik kritis, suhu tertentu (>400°F) dan tekanan atmosfer (>70 atmosfer) yang mengaburkan garis antara fase cair dan gas. Titik ini menghilangkan kemampuan pelarut untuk memberikan tekanan kapiler pada kerangka, memungkinkan aerogel terbentuk.

CO2 cair paling sering digunakan sebagai pelarut, karena tidak adanya gugus hidroksida, serta sifatnya yang kurang mudah menguap dibandingkan dengan alkohol, membuat pelarut ini ideal untuk proses ini.

CO2 cair pertama-tama akan ditukar ke dalam gel, diikuti dengan memasukkannya ke dalam ruang pengering superkritis, di mana ia mengalami suhu dan tekanan superkritis, mengubahnya menjadi gas.

Metode ini, meskipun efektif, sangat mahal, karena tekanan dan suhu tinggi membutuhkan mesin yang mahal. Ini juga berbahaya bagi lingkungan, karena menghabiskan banyak energi.

Untuk menjunjung tinggi nilai keberlanjutan dan daya tahan, ada dua kemungkinan alternatif:

1. Pengeringan subkritis
2. Pengeringan Sekitar

️Pengeringan Superkritis:

• Proses menggunakan tekanan dan suhu
• Metode pengeringan mengukur bahan aerogel pada titik kritisnya → suhu dan tekanan tertinggi di mana bahan tersebut masih ada. Mantan. ketika cairan dipanaskan sampai titik di mana ia berubah menjadi uap (bentuk gas)
• Aerogel dalam keadaan superkritis ada dalam bentuk cair dan gas

• Proses mengeluarkan cairan dari aerogels

Untuk mengeringkan secara subkritis, gel pertama-tama akan dibekukan terlebih dahulu pada suhu beku pelarut. Setelah dibiarkan selama beberapa jam, masukkan ke dalam freezer vakum (mis. BIOBASE BK-FD10S), biasanya setidaknya selama 48 jam.

Meskipun jauh lebih sederhana daripada metode superkritis konvensional, metode ini menyebabkan monolit terkondensasi (semakin kecil), membatasi penggunaannya untuk gel yang lebih besar.

️Pengeringan Sekitar:

Metode lainnya, pengeringan ambien, sedikit lebih rumit…

Pengeringan ambien adalah pengeringan hidrogel pada tekanan atmosfer biasa.

Tunggu, apakah ini tidak berisiko gel runtuh karena tekanan kapiler?

Sangat. Namun, untuk menghindari hal ini, pengeringan ambien membutuhkan penggunaan pelarut aprotik, bahan anti air, dan sesuatu yang dikenal sebagai Metode Musim Semi-Kembali .

Agar pengeringan ambien bekerja, kerangka gel perlu dibuat kurang lengket dengan mengganti gugus hidroksil dengan sesuatu yang non-polar . Selain itu, pelarut dalam gel dapat dibuat kurang "lengket" untuk menghindari gel runtuh dengan sendirinya dengan menggantinya dengan cairan dengan tegangan permukaan rendah. Contohnya termasuk pelarut aprotik, yang kekurangan gugus hidroksida.

Begini cara kerjanya:

1. Cairan pori dalam gel ditukar dengan pelarut aprotik seperti pentana, heksana, atau toluena (pelarut yang tidak memiliki gugus hidroksil).
2. Metode setengah-setengah pertukaran pelarut digunakan untuk meminimalkan retak. Metode ini adalah ketika gel dimasukkan ke dalam larutan setengah dari pelarut yang sudah ada, dan setengah dari pelarut aprotik baru. Kemudian, tukarkan larutan dengan pelarut aprotik murni.
3. Setelah pertukaran pelarut selesai, rendam gel dalam larutan bahan anti air seperti TMSCl, DMDCS, atau HMDS.
4. Senyawa-senyawa tersebut selanjutnya akan berdifusi ke dalam pori-pori gel untuk bereaksi dengan gugus hidroksil pada permukaan, menggantikannya dengan gugus non polar seperti gugus trimetilsilil atau dimetilsilil.
5. Setiap produk sampingan dimurnikan dengan menukarnya dengan pelarut aprotik (lagi).
6. Terakhir, gel siap dikeringkan dalam ruang hampa. Setelah pengeringan selesai, aerogel akan memantul kembali ke ukuran yang hampir sama persis seperti semula.

Fiuh, itu banyak sekali.

Metode produksi ini, meski signifikan, masih memiliki banyak masalah: biaya. Untuk mengisolasi tanggung jawab ekonomi di jalur manufaktur, pertama-tama kita harus memahami pro dan kontra dari proses manufaktur ini.

Analisis Proses Pembuatan Aerogel:

Pro tentang proses ️

Regulasi Terkendali

• Setiap variabel (temp, pH), dikontrol dan dimanipulasi secara akurat untuk menghasilkan materi yang disetel dengan hati-hati.

Tidak terukur

• Pengukuran/rasio yang berkaitan dengan prekursor dan pelarut adalah spesifik.
• Setiap proses (pelarutan, gelasi, pengeringan) membutuhkan waktu beberapa jam, bahkan mungkin berhari-hari untuk pengeringan.
• Ada banyak langkah. Gel perlu disambung silang beberapa kali untuk mencapai daya tahan yang diinginkan, dan dimurnikan beberapa kali untuk memastikan stabilitas gel.
• Aerogel tidak dapat dibuat dalam jumlah besar, karena aerogel yang lebih besar lebih rentan terhadap keruntuhan. Struktur gel yang lebih besar berarti lebih rentan terhadap kegagalan saat mengeringkan pelarut, karena bahkan satu kesalahan dalam rantainya akan menyebabkan kegagalan seluruh struktur.

• Prekursor, seperti selulosa bakteri, harganya cukup mahal.
• Ada banyak pelarut dan zat yang diperlukan untuk membuat bahan ini. Ini menghabiskan biaya.
• Peralatannya (homogenizer, vacuum freezer) jumlahnya mencapai ribuan.

Berputar kembali ke analisis perbandingan biaya sebelumnya, plastik PET saat ini 10,14 sen per pon . Bahkan sejak pembuatannya, ia telah mendominasi pasar material karena harganya yang murah, daya tahan yang sangat baik, dan fleksibilitasnya. Dengan menganalisis proses pembuatan plastik dan lebih memahami mengapa harganya sangat murah, kita dapat menerapkan konsep serupa pada produksi aerogel untuk membuatnya lebih murah.

Manufaktur Plastik

1. Semua plastik konvensional disintesis dari gas alam atau minyak mentah , dengan PET dibuat khusus dari etilena dan xilena. Minyak ini mengandung senyawa yang dikenal sebagai hidrokarbon, molekul dengan 4 atom karbon dan 1 atom hidrogen.
2. Minyak mentah mengandung berbagai senyawa hidrokarbon yang perlu diproses. Untuk memisahkan etilena dan xilena dari minyak mentah, dipanaskan di menara distilasi, memisahkannya menjadi senyawa berbeda yang naik atau turun tergantung pada beratnya.
3. Senyawa hidrokarbon yang dipisahkan kemudian dipanaskan untuk memecah rantai panjangnya menjadi molekul yang lebih sederhana seperti etilen glikol dan asam tereftalat.
4. Untuk membentuk molekul-molekul ini menjadi rantai polimer sintetik, mereka menjalani proses yang dikenal sebagai polimerisasi . Menggunakan suhu tinggi, monomer hidrokarbon "retak" atau menyatu bersama untuk membentuk pelet plastik.
5. Pelet ini, setelah dipanaskan, membentuk cetakan yang menghasilkan plastik sekali pakai.

Namun, meskipun faktor-faktor ini akan jauh lebih mahal, fakta bahwa ribuan keping plastik dapat diproduksi pada saat yang sama memisahkan plastik dan aerogel.

Saat ini, harga minyak sekitar 80,34 USD per barel sekitar 159 liter , atau satu galon. Meskipun investasi awal untuk pabrik plastik bisa mencapai ribuan, hanya seperempat liter minyak yang dibutuhkan untuk memproduksi satu botol air satu liter. Artinya, 636 botol air satu liter dapat diproduksi dari satu tong saja.

Ini baru satu tong , tapi ribuan tong ini diproses setiap hari melalui pabrik, artinya ribuan botol. Ini jelas merupakan pengembalian investasi awal dan karenanya menjadi salah satu alasan mengapa plastik sangat murah.

Sekarang setelah kita memahami mengapa plastik sangat murah, mari kita lakukan analisis perbandingan dan kontras untuk melihat apakah ada konsep ekonomi yang terlihat pada plastik yang membuatnya sangat murah dapat diterapkan pada aerogel:

Plastik vs. Aerogel

Plastik

• Ribuan produk plastik dapat dibuat dalam satu proses produksi.
• Mesinnya sendiri mampu digunakan kembali untuk ratusan produk plastik.
• Minyak itu sendiri sangat murah sebagai prekursor.
• Seluruh proses memakan waktu sekitar beberapa jam untuk diselesaikan (dikurangi waktu untuk transportasi).

• Bahan-bahan ini sangat spesifik untuk laboratorium.
• Mereka tidak dapat diproduksi secara massal, karena seluruh kerangka gel mereka akan hancur jika monolitnya terlalu besar.
• Prekursor sangat spesifik dan lebih sulit ditemukan, sehingga harganya lebih mahal daripada minyak alami.
• Banyak pelarut digunakan untuk membuat aerogel, dan proses pertukarannya memakan waktu lama.

Hipotesis

Kami memiliki tiga hipotesis utama:

1. Temukan cara untuk menggunakan kembali pelarut !
2. Menghasilkan aerogel dalam jumlah besar !
3. Temukan metode pengeringan yang lebih cepat dan lebih murah.

Memproduksi aerogel dalam jumlah besar adalah opsi lain yang memungkinkan untuk mengurangi biaya aerogel. Seperti yang terlihat pada perbandingan plastik, alasan mengapa material tersebut sangat sukses adalah karena kemampuannya untuk diproduksi secara massal dan otomatis di pabrik. Mencapai otomatisasi dan kepadatan produksi seperti itu akan memungkinkan aerogel bersaing di pasar material.

Terakhir, kami memiliki opsi untuk menemukan metode pengeringan yang lebih murah. Tantangan utama, dan batasan terbesar dengan skalabilitas, adalah proses pengeringan. Itu adalah hit atau miss. Rasio dan penuaan harus sempurna agar struktur tidak runtuh.

Metode pengeringan seperti pengeringan superkritis dan pengeringan subkritis semuanya menghabiskan banyak energi dan waktu, sedangkan Metode Pegas-Kembali dalam pengeringan ambien sangat rumit dan menggunakan banyak pelarut dalam proses kimianya yang lama.

Pada akhirnya, kami berteori bahwa menjadikan proses pengeringan ini lebih andal, lebih sedikit energi intensif, dan lebih murah tampaknya menjadi cara terbaik untuk bergerak maju dengan mengembangkan teknologi aerogel.

Pertanyaannya, mampukah kita mewujudkannya?

Penulis:

Roy Kim adalah seorang peneliti berusia 16 tahun dan Nithi Byreddy adalah seorang penulis berusia 17 tahun yang bersemangat meneliti bahan dan teknologi yang berkelanjutan untuk solusi lingkungan yang lebih baik. Mereka saat ini sedang mengerjakan proyek yang memberi insentif pada aerogel untuk skala massal di pasar konsumen.

Glosarium Istilah Kunci

• Prekursor Anionik - senyawa bermuatan negatif
• Amorf - tidak memiliki struktur kristal
• CAGR — Tingkat pertumbuhan tahunan majemuk
• Katalis - mempercepat proses kimia
• Kationik (kation) - ion bermuatan positif
• Cross-linker — memperkuat bahan kimia untuk efisiensi
• Desalinasi — proses menghilangkan garam dan mineral dari air
• Monolith — substrat (lapisan dasar) yang mendukung katalis

• Prekursor - bahan kimia dalam reaksi menghasilkan senyawa lain

1) Ambient-Dried, 3d-Printable and Electrically… — Wiley Online Library .https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201909383.

2) Tautan penulis buka panel overlayLaraManzoccoaPersonEnvelopeKirsi S.MikkonenbcCarlos A.García-Gonzálezd, et al. "Aerogel sebagai Struktur Berpori untuk Aplikasi Makanan: Bahan Cerdas dan Bahan Kemasan Baru." Struktur Pangan , Elsevier, 23 Februari 2021,https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213329121000149.

3) Gurav, Jyoti L., dkk. "Silica Aerogel: Sintesis dan Aplikasi." Journal of Nanomaterials , Hindawi, 11 Agustus 2010,https://www.hindawi.com/journals/jnm/2010/409310/.

4) Masuk ke Perpustakaan Daring Wiley .https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201502566.

5) Panjang, Lin-Yu, dkk. "Aerogel Selulosa: Sintesis, Aplikasi, dan Prospek." Polimer , Perpustakaan Kedokteran Nasional AS, 6 Juni 2018,https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6403747/#:~:text=InAerogels selulosa% 2C tertentu, bahan di abad ke-21.

6) Sintesis Silica Aerogel dengan Metode Supercritical Drying .https://www.researchgate.net/publication/237123751_Synthesis_of_Silica_Aerogel_by_Supercritical_Drying_Method.

7) Yang, Xianghua, dkk. “Persiapan Mudah Tekanan Sekitar – Silika Aerogel Hidrofilik Kering dan Penerapannya dalam Penghapusan Pewarna Berair.” Perbatasan , Perbatasan, 29 April 2020,https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2020.00152/full.

8) Muda, Sandra K., dan Laboratorium Riset Angkatan Darat Aberdeen Proving Ground Md. “Ikhtisar Sains dan Teknologi Sol-Gel.” DTIK ,https://apps.dtic.mil/sti/citations/ADA398036.

Ingin membaca lebih lanjut?

Anda dapat menemukan saya di Linkedin dan Twitter saya atau mendaftar ke buletin bulanan saya untuk menemukan lebih banyak konten seperti ini!