에어로젤의 작동 원리

1920 년대 후반 두 과학자 사이의 내기에서 만들어진 물질 인 에어로겔은 지구상 에서 가장 독특한 물질 일 수 있습니다 . 그것은 현존하는 가장 가벼운 고체입니다. 기네스 세계 기록은 그렇게 말했습니다. 그러나 그것은 자신의 무게의 500에서 4,000 배를 지탱할 수 있습니다 (당신이 묻는 사람에 따라 다름) [출처 : NASA JPL, Guiness ; Steiner, Zero-Gravity ]. 1 입방 인치의 에어로젤을 펼쳐 축구장 전체를 덮을 수 있습니다 . 통기성과 내화성이 있으며 기름과 물을 모두 흡수합니다 . 에어로젤도 무게를 고려하면 놀랍도록 강합니다. 에어로겔은 훌륭한 전기 전도체 가 될 수 있지만 , 다른 재료로 만들면 지금까지 알려진 최고의 절연체 중 하나이기도합니다 [출처 :Steiner, Zero-Gravity ]. 그렇다면 에어로겔은 왜 자격이있는 A-list 이름을 가지고 있지 않습니까?

안타깝게도 이러한 고유 한 제품을 생산하려면 엄청난 시간과 비용 이 소요 됩니다. 부분적으로는 각 배치에서 매우 적은 양의 에어로젤 만 만들어지기 때문입니다. 한 번에 더 많은 에어로젤을 생산하면 가격이 낮아 지지만 공정과 재료만으로도 입방 센티미터 당 약 $ 1.00의 높은 가격표가 제공됩니다. 파운드당 약 $ 23,000의 에어로젤은 현재 금보다 비쌉니다 [출처 : NASA JPL, FAQs ]!

그러한 귀중한 제품은 상속인의 보석 상자에있는 다이아몬드와 진주 옆에있는 것처럼 보입니다. 그러나 에어로젤은 부유 한 사회인을 장식하는 것보다 로켓이나 두꺼운 페인트를 단열하는 것으로 발견 될 가능성이 더 높습니다. 에어로젤은 금만큼 화려하지는 않지만 동료없이 작업을 수행합니다.

이 기사에서는 1920 년대 후반 캘리포니아에서 발견 된 것부터 1999 년 우주 먼지를 모으기위한 여행에 이르기까지 에어로젤을 독특하게 만드는 요소를 살펴볼 것입니다. 또한 에어로젤의 미래가 어떤 것인지 그리고 실제로 일반 대중을 위해 더 비용 효율적으로 만드는 방법입니다. 마지막으로 에어로젤을 만드는 방법을 보여 드리겠습니다. 놀랍게도 가능합니다.

에어로젤이 처음 등장한 방법과이 적응성 물질이 어떻게 만들어 졌는지 자세히 알아 보려면 계속 읽으십시오.

내용

1. 에어로젤 역사
2. 에어로겔의 종류
3. 우주의 에어로젤
4. 일상적인 에어로젤 사용
5. 에어로젤의 미래

에어로젤의 전설은 수수께끼에 싸여 있습니다. 우리가 알고있는 것은 1920 년대 후반 미국 화학 교수 인 Samuel Kistler가 동료 Charles Learned와 내기를 걸었다는 것입니다. Kistler는 물체를 젤로 만든 것은 액체의 성질이 아니라 그 구조, 특히 나노 포어라고 알려진 미세하고 미세한 기공의 네트워크라고 믿었습니다. 액체를 단순히 증발시킴으로써 이것을 증명하려고 시도하면 젤이 수플레처럼 수축되었습니다. 따라서 게임의 목적은 "젤리"의 액체를 가스로 교체하는 것이었지만 구조에 손상을주지 않는 것이 었습니다 [출처 : Steiner, Zero Gravity ].

많은 시행 착오 끝에 Kistler는 처음으로 겔의 액체를 기체로 성공적으로 대체하여 구조적으로는 겔이지만 액체는없는 물질을 만들었습니다. 1931 년까지 그는 과학 저널 Nature [출처 : Ayers, Pioneer ]에 "Coherent Expanded Aerogels and Jellies"라는 기사를 실었습니다 .

에어로젤은 alcogel 이라는 젤로 시작됩니다 . Alcogel은 모공 내부에 알코올이 들어있는 실리카겔입니다. 단순히 실리카 구조 에서 알코올을 증발시키는 것만으로도 구조가 수축 될 수 있습니다. 마치 젖은 스펀지가 건조를 위해 카운터에두면 변형되는 것과 같습니다. 증발에만 의존하는 대신 겔을 초 임계 건조해야합니다. 필요한 것은 다음과 같습니다.

초 임계 건조는 alcogel의 액체 "alco"부분이 구조 붕괴없이 실리카의 나노 포어 내에서 가스로 변하는 방법입니다. 알코올이 제거 된 알코 겔은 알코올이 공기로 대체되었으므로 이제 에어로젤이라고합니다. 원래 재료 부피의 50 ~ 99 %에 불과한 에어로젤은 가볍고 유연하며 유용한 재료입니다 [출처 : Steiner, Zero Gravity ].

오늘날 사용되는 가장 일반적인 유형의 에어로젤에 대해 알아 보려면 다음 페이지로 이동하십시오.

가장 일반적인 세 ​​가지 유형의 에어로겔은 실리카, 탄소 및 금속 산화물이지만 실험 및 실제 응용 분야에서 가장 자주 사용되는 실리카입니다. 사람들이 에어로젤에 대해 이야기 할 때, 그들은 실리카 유형에 대해 이야기하고있을 가능성이 있습니다 [출처 : Aerogel.org, Silica ]. 실리카를 마이크로 칩에 사용되는 반도체 인 실리콘과 혼동해서는 안됩니다. 실리카는 절연에 자주 사용되는 유리 재질입니다.

스모키 블루 실리카 에어로젤과 달리 탄소 기반의 에어로겔은 검정색이며 만지면 숯처럼 느껴집니다. 외모가 부족한 것은 높은 표면적과 전기 전도성 기능 을 보완 합니다. 이러한 특성으로 인해 탄소 에어로젤은 슈퍼 커패시터, 연료 전지 및 담수화 시스템에 유용 합니다 [출처 : Aerogel.org, Organic ].

금속 산화물 에어로겔은 금속 산화물로 만들어지며 화학적 변형을위한 촉매로 사용됩니다. 또한 폭발물과 탄소 나노 튜브의 생산에도 사용되며 이러한 에어로겔은 자성을 띠기도합니다 . 산화철 및 크로 미아와 같은 금속 산화물 에어로겔을 일반적인 실리카 사촌과 구별하는 것은 놀랍도록 밝은 색상의 범위입니다. 에어로겔로 만들 때 산화철은 상표의 녹 색으로 에어로겔을 빌려줍니다. Chromia 에어로젤은 진한 녹색 또는 파란색으로 나타납니다. 각 유형의 금속 산화물은 약간 다른 색상의 에어로겔을 생성합니다. [출처 : Aerogel.org, Metal ].

실리카 에어로겔 (가장 일반적인 에어로겔)은 하늘이 파란색 인 것과 같은 이유로 파란색입니다. 청색은 백색광이 빛의 파장보다 큰 에어로겔의 실리카 분자를 만날 때 발생합니다. 에어로젤은 긴 파장보다 짧은 파장의 빛을 더 쉽게 산란하거나 반사합니다. 청색과 보라색은 파장이 가장 짧기 때문에 가시 스펙트럼의 다른 색상보다 더 많이 산란합니다. 우리는 산란 파장을 색상으로보고, 우리 눈은 청색 파장에 더 민감하기 때문에 보라색 파장은 볼 수 없습니다 [출처 : Steiner, Zero-Gravity ].

우주에서 에어로겔의 적용에 대해 자세히 알아 보려면 계속 읽으십시오.

물 대 알코올

알코 겔은 모공이 알코올로 가득 차 있지만 대신 물을 사용하면 어떨까요? 그의 첫 번째 실험에서 Kistler는 물이 포함 된 하이드로 겔을 사용했습니다 . 건조 할 때이 젤은 Jell-O가하는 것처럼 행동합니다. 하이드로 겔의 액체가 너무 빨리 증발하여 물질이 모양을 유지하지 못하기 때문에 그들은 끈적하고 지저분한 얼룩으로 분해됩니다. 스며 나오는 각 분자와 함께 다른 분자는 간격을 채우려 고 노력합니다. 이것은 겔의 모공 내에서 모세관 스트레스 로 알려진 현상을 일으켜 전체 구조가 무너지게합니다 [출처 : Hunt and Ayers, History ].

Aerogel의 다재다능 함은 지구 와 우주 모두에서 매우 중요하게 만들었습니다 . 화성 탐사선의 전기 장비를 절연하는 것부터 속도가 빠른 혜성 에서 우주 먼지를 포획 하는 것까지 여러 NASA 임무 에서 다양한 역할을 수행했습니다 .

혜성은 태양계의 탄생으로 거슬러 올라가는 원시 천체입니다. 우주를 날아갈 때 우주 먼지라는 입자를 흩뿌립니다. 이 우주 먼지는 우리의 세계가 어떻게 시작되었는지 우리에게 가르쳐주기를 희망하는 과학자들이 많이 찾고 있습니다.

1999 년 혜성 샘플과 우주 먼지를 포획하는 임무를 수행하기 위해 NASA는 와일드 2 혜성에 도달하기 위해 48 억 킬로미터 (달까지 6,000 번의 여행에 해당)를 이동 한 우주선을 발사했습니다. 그곳에 테니스 라켓 모양의 집진기가 열렸습니다. 260 개의 에어로젤 큐브를 사용하여 성간 먼지의 빠른 입자를 포착하고 자연 상태로 보존했습니다 [출처 : NASA JPL, Airgel ]. 또한 입자가 집진기를 폭격하면서 수집가의 에어로겔 큐브 내에 흔적을 남기고 속도를 늦췄습니다. 이 흔적을 통해 과학자들은 우주에서 작은 입자를 더 쉽게 찾을 수있었습니다.

우주선이 2006 년 집에 도착했을 때 30 년 이상 우주에서 지구로 반환 된 최초의 샘플을 가져 왔습니다. 에어로젤의 내구성 덕분에 집진기는 에어로젤 타일 하나도 없어지지 않고 그대로 우주에서 돌아올 수있었습니다. 과학자들은 에어로젤에 포함 된 먼지와 결정을 연구하고 그들이 가져올 수있는 통찰력을 기다릴 수있었습니다 [출처 : Bridges ].

다음으로 에어로겔의 일부 상용 응용에 대해 알아볼 것입니다.

초기에는 에어로젤이 농축 제로 판매되었으며 메이크업과 페인트에서 네이팜 에 이르기까지 모든 분야에 사용되었습니다 . 그들은 또한 냉동고의 담배 필터 및 단열재로 사용되었습니다. 몬산토는 에어로겔의 상용 애플리케이션을 시장에 내놓은 최초의 회사였습니다. 그러나 Kistler의 초 임계 건조 방법은 효과적이긴하지만 위험하고 시간과 비용이 많이 들었습니다. 30 년의 생산 후 이러한 모든 요인으로 인해 몬산토는 1970 년대에 에어로젤에 대한 집중을 중단했습니다.

그러나 이것은 에어로겔의 끝이 아닙니다. 몬산토에 의해 폐기 된 지 얼마되지 않아 과학자들은 더 안전한 알콕사이드 화합물을 사용하여 에어로겔 생산을 덜 독성으로 만드는 과정을 개발했습니다. 그들은 또한 건조 과정에서 초 임계 알코올을 초 임계 이산화탄소로 대체함으로써 덜 위험하게 만들었습니다. 이러한 개발은 에어로겔 건조에 소요되는 시간을 줄이고 생산의 위험하고 가연성을 줄였습니다. 이러한 발전으로 에어로젤은 다시 상업적으로 실용화되었으며 과학자들은 제품의 가능성에 흥미를 갖게되었습니다. [출처 : Hunt and Ayers, History ]

에어로겔의 생산이 덜 복잡하고 위험 해짐에 따라 독특한 특성으로 인해 에어로겔은 다양한 산업 분야에서 인기를 얻었습니다. 실리콘 제조업체, 주택 건축 자재 제조업체 및 우주 기관은 모두 에어로젤을 사용합니다. 비용 효율적인 에어로젤을 만드는 데 점점 더 성공적으로 추진되고 있지만 그 인기는 비용에 의해서만 방해를 받았습니다. 그 동안 에어로젤은 다양한 제품에서 찾을 수 있습니다.

[출처 : Aerogel.org, 현대사 ]

에어로겔의 고유 한 구조로 인해 절연체로 쉽게 사용할 수 있습니다. 에어로겔 구조의 초 절연 에어 포켓은 대류, 전도 및 복사의 세 가지 열 전달 방법을 거의 완전히 상쇄합니다 [출처 : Cabot Corporation ]. 에어로젤은 여전히 ​​상당히 비싸지 만, 좋은 소식은 벽 골조 및 창문 깜박임과 같이 단열이 어려운 영역에 사용되는 에어로젤 단열재가 주택 소유자를 연간 최대 750 달러까지 절약 할 수 있다는 연구 결과가 있다는 것입니다. 주택 소유자가 돈을 절약 할 수 있도록 돕는 것 외에도 에어로젤 단열재는 탄소 발자국을 크게 줄일 수 있습니다. [출처 : Aspen Aerogels, New Spaceloft ]. 기업들은 비용을 낮추는 방법을 찾기 위해 경쟁하고 있지만 현재로서는 NASA에 에어로젤이 더 저렴합니다.일반 대중보다. 그러나 에어로젤은 건설 회사, 발전소 및 정유소에서 사용됩니다. 아마도 더 저렴할 때 에어로젤은 A-list 지위를 얻을 것입니다.

지구 에서 우주에 이르기까지 에어로겔은 의심 할 여지없이 우리의 미래에 자리를 잡았습니다. 최근 에어로젤 발전과 에어로젤을 어떻게 실험 할 수 있는지 알아 보려면 계속 읽으십시오.

에어로젤은 비싸지 만 연구원들은 여전히 ​​더 강하고 저렴하며 덜 위험하게 만드는 방법을 실험하고 있습니다. 예를 들어, 미주리 과학 기술 대학의 Nicholas Leventis 교수는 2002 년에 깨지지 않는 에어로겔을 만드는 방법을 개발했다는 ​​발표로 과학계를 놀라게했습니다. x-aerogels 로 알려진 Leventis의 에어로겔 은 더 강할뿐만 아니라; 또한 더 유연하고 방수 및 충격에 강합니다. 단점은 x-aerogel 생산에 더 많은 유해 화학 물질이 필요하고 더 많은 시간이 소요된다는 것입니다. 이러한 화학 물질은 또한 절연 능력을 저하시킵니다 [출처 : Aerogel.org, Strong ]. 몇 가지 부정적인 점에도 불구하고 x-aerogel은 다음과 같은 응용 분야가 있습니다.

[출처 : Leventis ]

또한 에어로젤은보다 "친환경"기술을 추진하는 데 도움이 될 수 있습니다. 탄소 에어로겔은 에너지 효율적인 자동차 용 슈퍼 커패시터 및 연료 전지에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 사실, 탄소 에어로젤의 에너지 저장 용량은 많은 새로운 기술을 가져올 수 있지만 에어로겔의 생산 가격이 대규모 작업에 더 저렴 해져야합니다.

좋은 소식은 새로운 에어로젤을 만드는 실험을하기 위해 충분한 자금을 갖춘 연구 과학자 일 필요가 없다는 것입니다. 나만의 에어로젤을 만들고 싶습니까? 집에서도 가능하지만 에어로겔을 초 임계 건조시키는 오토 클레이브를 포함하여 필요한 모든 재료가 포함 된 실험실에서 수행하는 것이 가장 좋습니다. (당신이 매우 생산적이라고 느끼는 경우, 여기에 자신의 초 임계 건조기를 만드는 방법에 대한 지침이 있습니다.) 지역 대학이나 커뮤니티 칼리지 주변에 물어보십시오. 당신이 그들에게 당신이 작업하고 싶은 레시피를 가지고 있다고 말하면, 그들은 당신이 그들의 장비를 사용하도록 허락 할 수 있습니다 [출처 : Hunt and Ayers, Making ; Aerogel.org, 빌드 ].

aerogel.org 와 캘리포니아 대학교 의이 웹 사이트를 포함하여 여러 웹 사이트에서 에어로젤을 만드는 방법에 대한 지침을 제공합니다 . 에어로겔을 만드는 위치에 관계없이 안전 예방 조치는 필수입니다. 고글, 장갑 (가장 좋은 종류는 식기 세척 용 장갑), 긴 바지, 발가락이 막힌 신발 및 화가 용 마스크를 착용하여 위험한 연기와 인화성 물질로부터 자신을 보호하십시오. [출처 : Steiner, How to Make ; 사냥과 에어즈, 만들기 ]

에어로겔-그들이 할 수없는 것이 있습니까? 바라건대 대중은 가까운 장래에 그들과 함께 이름을 올릴 것입니다. 에어로젤 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.

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