세상에서 가장 가벼운 고체 물질인 에어로젤 (Aerogel)

겉보기에 불과 물에 영향받지 않는 그런 물질은 현대 기술의 최신 산물로 보일 수도 있다.실제로 에어로겔은 1930년대에 화학자 사무엘 키슬러에 의해 처음 합성되었다.

최초의 Aerogel의 탄생

젤리 같은 물질들은 실제로 꽤 흔하다.우리가 먹는 젤리를 예를 들어 it's는 젤리 같은 물질로, 고체와 액체의 조합이다.

바로 그 순간, 사무엘과 그의 동료 찰스 레니더는 젤리를 두고 내기를 벌이고 있었다.찰스는 그 젤리 &를 유지했다#39;s 젤리 같은 상태는 그 액체의 성질에서 기인하는 반면, 사무엘은 겔이 고체 구조를 포함하고 있다고 주장했는데, 이것이 겔의 형성에 중요한 열쇠였다.

누가 맞는지 결정하기 위해 사무엘은 젖은 젤이 일정한 크기와 모양의 고체 입자로 이루어진 연속적인 네트워크를 포함하고 있다는 것을 증명하기 위한 실험을 시작했다.목적은 간단했다:고체 구조를 보존하면서 젤에서 액체를 제거함으로써 겔의 형성은 액체 함량과 무관하다는 것을 증명했다.

그러나 그 개념은 단순하게 들렸지만, 실행은 어려운 것으로 판명되었다.단순히 액체가 증발하도록 하는 것은 고체 구조를 수축하게 할 것입니다.제자리에 고정시켜줄 액체 분자가 없으면 고체 입자가 서로 끌어당겨 주변 구조를 잡아당기게 된다.그 결과, 젤은 안쪽에서 바깥쪽으로"붕괴"하기 시작하여 원래 부피의 10분의 1로 줄어들게 된다.

그러므로,이 접근법은 확실히 실행 불가능하다.

사무엘은 오랫동안 열심히 고민하면서 젤 내의 액체를 대체해야만 견고한 구조의 무결성을 지킬 수 있다는 결론을 내렸다.이를 대체하기 위해서는 기체가 유일한 선택지가 될 수 있는데, 젤은 이미 고체와 액체 상태를 모두 포함하고 있기 때문이다.

하지만, 일반 기체들은 couldn't 가 젤 &를 대체한다#39;s 액체다.그래서 사무엘은 간접적인 방법을 취했습니다:압력과 열을 가함으로써, 액체를 임계점을 지나도록 밀어냈습니다.이것은 분자들이 더 이상 상호 인력을 갖지 않는 기체와 구별할 수 없는 초임계 유체-상태로 변화시켰다.

사무엘은 염산을 촉매로 사용하여 가수분해를 촉진하는 규산나트륨을 원료로 선택하였다.물과 에탄올은 알코올 젤로 변형시키기 위해 용매 교환제의 역할을 했다.

그리고는 알콜젤을 고온, 고압의 환경에 놓았다.내부의 에탄올이 초임계 유체가 되자, 그는 젤을 감압하면서 임계 온도를 유지하였다.압력이 감소함에 따라, 에탄올 분자는 기체로 방출되었다.이때, 상기 흔합물을 열원으로부터 겔 (gel)을 제거하였다.냉각하자 젤 내의 에탄올 액체는 전부 기체로 증발하여 기체로 채워진 고체 구조를 남긴다.이것은 최초의 에어로젤의 탄생을 의미했다.

의심할 여지 없이,이 연구는 획기적이었다.

그러나 이상하게도 에어로겔 연구는 그 후 30년이 넘도록 사실상 정체되어 있었는데, 이는 당시의 어려운 준비 조건과 유난히 긴 과정 때문이었다.

그것은 wasn'1970년까지 t 산소와 로켓 연료를 저장하기 위한 다공성 물질을 찾던 리옹 대학의 연구진이 30여 년 전의 에어로겔 개념을 다시 찾았다.Samuel& 위에 건물#39;s 작업, 그들은 준비 방법을 다듬었다.새로운 기술은 규산 나트륨을 트리 (메록시) 실란 (TMOS)으로 대체하고 포름알데히드로 에탄올을 대체했습니다.

이 접근법은 훨씬 더 짧은 시간 내에 고품질의 실리카 에어로겔을 생산하여 에어로겔 과학의 중대한 발전을 이룩했습니다.

이 방법의 개선에 따라, 점점 더 많은 수의 연구자들이 에어로겔 분야에 합류했다.

1983년 버클리 연구실의 미세구조재료그룹 (Microstructural Materials Group)은 독성이 강한 화합물 TMOS를보다 안전한 tetraethyl orthosilicate (TEOS)로 대체할 수 있다는 것을 발견했다.그리고 sol-gel 법을 이용하여 TEOS를 가수분해하고 폴리응축하였다.

뿐만 아니라 미세 구조 재료 그룹은 초임계 건조 이전에 젤 내의 알코올이 에어로겔을 손상시키지 않고 액체 이산화탄소로 대체 될 수 있음을 발견했습니다.

이산화탄소가 알코올처럼 폭발의 위험을 초래하지 않기 때문에 이것은 안전성의 상당한 발전을 나타낸다.

에어로겔의 다른 응용 에어로겔에 대한 연구가 깊어짐에 따라, 입자 물리학자들은이 나노 크기의 물질이 이해하기 힘든 체렌코프 방사선 입자를 수집하는 데 사용될 수 있다는 것을 깨달았습니다.일단이 입자들이 에어로겔의 복잡한 구조를 관통하면, 그들은 다른 쪽에서 빠져나가려고 애쓰고 따라서 물질 안에 갇혀있게 됩니다.

입자 수집 외에도 NASA&에서 준비한 실리카 에어로겔#39;s 제트추진연구소도 혜성입자를 모으는 임무를 맡은 우주행"비행"에 탑승했다.

이 모든 것을 다루었으니 이제 에어로겔&를 이해하셨으리라 믿습니다#39;의 다양 한 속성 및 그것의 지속적으로 개선 되는 준비 방법.모든 관점에서, 그것은 정말로 예외적이다.

그래서 왜 hasn't 일상생활에서 널리 퍼지게 된다?

첫째, 생산이 장애물로 남아 있다.준비 방법에 대한 여러 가지 개선에도 불구하고 임계 초임계 조건은 여전히 상당한 장벽이 됩니다.

둘째, 산업용 에어로겔 생산은 또 다른 주요 도전, 즉 극도의 취성 (brittleness)에 직면해 있다.인상적인 하중 지지력을 자랑하는 반면 인장 강도는 실망스러울 정도로 낮다.살짝 힘을 주면 두동강낼 수 있어 다른 재료로 보강이 필요하다.

현재 에어로겔은 수성 코팅, 유리 섬유, 세라믹 섬유 등 기판으로 복합 보강해 단열 성능을 크게 높일 수 있다.