مقدمه
چندي پيش ايميلي به دستم رسيد درباره ماده عجيبي از طلاي خالص كه ادعا شده بود نوعي ماده تازه كشف شده است به نام ايروژل (Aerogel) و خواص غريبي هم به آن منسوب شده بود از جمله آنكه ماده جامدي است كه در صورت حرارت ديدن از هوا سبك تر مي شود و سنگ هاي بزرگ اهرام را با استفاده از آن بلند كرده اند و قاليچه هاي پرنده را هم با استفاده از آن مي ساخته اند و اينكه اين ماده همان سنگ فلاسفه است و تعدادي ادعاي غير قابل باور ديگر.
اين امر دليلي شد براي آنكه كنجكاو شوم كه ايروژل چيست. حقيقت اين است كه ايروژل به خودي خود آنقدر ماده عجيبي است كه نيازي به اغراق هاي غير علمي ندارد. خواص بسيار جالب و گاه يگانه ايروژل به گونه ايست كه مي توان انتظار داشت از مصالح مهم و پركاربرد دنياي آينده نه چندان دور ما باشد.
ايروژل را به نام دود جامد، هواي جامد و گاه دود آبي مي شناسند. چرا كه شناخته شده ترين انواع آن به چشم مانند دود يا مه اي است كه بصورت جامد درآمده باشد. اين ماده آنقدر سبك است كه وزنش مي تواند با هوا قابل مقايسه باشد. در واقع ايروژل سبك ترين ماده جامد شناخته شده تا امروز است.
انواع مختلف ايروژل ركوردهاي متعددي را در بين مواد شناخته شده به خود اختصاص داده اند كه از ميان آنها مي توان به نمونه هاي زير اشاره كرد:
- كمترين چگالي يك جسم جامد : 1.8 كيلوگرم بر متر مكعب (در مقايسه با هوا كه چگالي 1.3 كيلوگرم بر متر مكعب و آب كه چگالي 1000 كيلوگرم بر متر مكعب دارد)
- كمترين ضريب شكست نور (1.002)
- كمترين ضريب انتقال حرارت (0.016 W/mK)
- كمترين سرعت صدا در يك جسم (70 m/s)
- كمترين ضريب دي الكتريك در محدوده 3-40 گيگاهرتز (1.008)
- و بيشترين سطح مخصوص در يك جسم جامد يكنواخت (3200 m/g)
اگرچه نزديك به 80 سال از اختراع ايروژل ها مي گذرد، تنها حدود 20 سال است كه توجه بيشتري به اين مواد ابراز شده است و سالهاي اندكي است كه استفاده تجاري از اين مواد شروع شده است.
تاريخچه
اختراع ايروژل مديون شرطي است كه بين دو تن از محققان دانشگاه استنفورد بسته شد. پروفسور "ساموئل استفن كيستلر" براي آنكه بتواند اين شرط را برنده شود، بايد موفق مي شد كه مايع موجود در يك ژل را بدون آنكه حجم ژل كاهش قابل ملاحظه اي پيدا كند از آن خارج كند. پرفسور كيستلر با كمك يك خشك كن فوق بحراني موفق به انجام اين عمل شد و در نتيجه، با خروج مايع از ساختار ژلاتين، ماده جامدي ب
دست آورد كه تخلخل بسيار زياد و چگالي بسيار پاييني داشت. كيستلر در سالهاي بعد از آن تحقيقات فراواني بر روي اين ماده كه آنرا ايروژل نام نهاده بود انجام داد و موفق شد ايروژل هايي را از سيليكا، آلومينا، نيكل تارتارات، ژلاتين و حتي آلبومين تخم مرغ بسازد. مقاله علمي اي كه كيستلر در اين زمينه نوشته بود در سال 1931 در نشريه معتبر نيچر به چاپ رسيد.
ايروژل ها حدود 50 سال تنها بين حلقه كوچكي از دانشمندان شناخته شده بودند تا آنكه يكي از محققين ناسا به نام "آرلون هانت" به طور اتفاقي در مورد آنها شنيد و تحقيقات متعددي را براي سادگي، كم خطر كردن و نيز اقتصادي تر شدن شيوه ساخت آنها انجام داد.
اگرچه توليد در احجام صنعتي و استفاده تجاري از انواع ايروژل ها حدود بيست سال است كه شروع شده است، توجه ويژه به اين مواد پس از پروژه فضاپيماي استارداست (غبار كيهاني) جلب شد.سازندگان اين فضاپيما در ناسا نيازمند ماده اي بودند كه بتواند غبار كيهاني را در خود جذب كند تا به همراه اين فضا پيما به زمين آورده شوند. اما ذرات غبار كيهاني با سرعت تقريبي 6 كيلومتر در ثانيه در فضا در حركتند و موادي كه براي جذب اين غبار مد نظر بودند در اثر برخورد با ذرات غبار با اين سرعت باعث نابودي ذرات مي شدند. تا اينكه استفاده از ايروژل هاي سيليكايي براي اين منظور پيشنهاد شد. اين مواد بدليل تخلخل بسيار زياد خود، بهترين ماده براي به دام انداختن ذرات غبار كيهاني بودند چرا كه از سويي چگالي اندك آنها مانع از ايجاد برخورد شديد بين ذرات غبار و ماده جاذب مي شود و از سوي ديگر سيليس موجود در سيليكا در اثر حرارت برخورد تبديل به شيشه مي شد و مانند يك لايه محافظ اين ذرات را در خود مي پوشاند.
ناسا پس از اين از ايروژل ها هم به عنوان عايق .و هم به عنوان فيلتر در ديگر پروژه هاي خود استفاده نمود.
با بهبود روشهاي توليد و بر اساس خواص بسيار مطلوب ايروژل ها، استفاده تجاري از آنها نيز روز بروز گسترش بيشتري مي يابد و اكنون از ايروژل ها در عايقكاري خطوط انتقال، ايجاد عايقهاي صوتي و حرارتي ، و نيز براي توليد انواع فيلتر و كاتاليزور و حتي انواعي از راكت هاي تنيس و اسكواش استفاده مي شود. 
روش توليد
مبناي روش توليد ايروژل به نسبت ساده است : ژل را با ماده اي كه در دماي نه چندان زياد بخار مي شود ايجاد مي كنند (مثلا الكل) بعد آنرا در محفظه اي با فشار و حرارت زياد از دي اكسيد كربن مايع قرار مي دهند كه در حالت فوق بحراني قرار دارد به اين معني كه مرزي بين فاز مايع و گاز آن وجود ندارد و در نتيجه كشش سطحي نيز در اين ماده بوجود نمي آيد. در اين حالت، دي اكسيد كربن مايع به تدريج جايگزين مايع سازنده ژل مي شود، بعد كم كم فشار را پايين مي آورند تا دي كسيد كربن قرار گرفته در حفره هاي ژل به گاز تبديل شود و در نتيجه ماده اي با حفره هاي بسيار ريز فراوان و تخلخل بسيار بالا بدست آيد. قرار داشتن در حالت فوق بحراني طي پروسه خشك شدن از آنرو اهميت دارد كه كشش سطحي مايع را كه باعث تخريب ديواره ژل و در نتيجه كاهش حجم و از بين رفتن تخلخل آن مي شود، محدود مي كند.
ايروژل هاي معمولا بين 95 تا 99 درصد تخلخل دارند و اندازه حفره ها در آنها بين 2 تا 50 نانو متر است. حفره هاي ايروژل از يكديگر مجزا نيستند و به يكديگر راه دارند.
انواع ايروژل
ايروژل ها بر اساس ماده سازنده آنها و نيز بر اساس روش توليدشان از يكديگر مجزا مي شوند. فراگير ترين نوع ايروژل، از سيليكا ساخته مي شود، اما ايروژل هايي از اكسيدهاي فلزي، پليمرهاي ارگانيك (مانند رزورسينول فرمالدئيد) ، پليمرهاي بيولوژيكي (مانند ژلاتين)، كربن، نانولوله هاي كربني، نيمه هادي ها و به تازگي از فلزاتي چون آهن، طلا و مس نيز ساخته شده اند.
ايروژل هاي ساخته شده از سيليكا شفاف اند و حالتي شبيه به مه يا دود منجمد دارند، اما ايروژل هاي ساخته شده از كربن سياه اند. ايروژل هاي اكسيدهاي فلزي رنگارنگ مي باشند.
ايروژل هاي ساخته شده از اكسيدهاي فلزي با توجه به سطح مخصوص بسيار بالاي خود به عنوان كاتاليزور بكار مي روند. ايروژل هاي ساخته شده از نيمه هادي ها هنگام قرار گرفتن در برابر نور رفتار بسيار جالبي دارند و پيش بيني مي شود كه نسل آينده سلول هاي نوري با استفاده از اين مواد ساخته شود.
ايروژل هاي سيليكايي باربري مناسبي دارند، اين مواد مي توانند تا 2000 برابر وزن خود بار تحمل كنند. (اين نسبت براي فولاد كمتر از 500 و براي بتن حدود 100 است) اما با توجه به آنكه وزن ايروژل بسيار اندك است، مقدار باربري اين مواد خيلي زياد نخواهد بود.
علاوه بر اين ايروژل هاي مرسوم بسيار ترد اند و در اثر فشار يا ضربه آسيب جدي مي بينند. براي اصلاح اين امر و نيز براي افزايش باربري، سختي سطحي و نيز نرمي و خمش پذيري ايروژل ها آنها را با مواد پليمري تركيب مي كنند يا در ساختار آنها الياف مقاوم تعبيه مي كنند. اگرچه اين امر باعث افزايش چگالي و كاهش سطح مخصوص، افزايش ضريب انتقال حرارت و نيز كاهش شفافيت ايروژل مي شود، اما مقاومت، سختي، سختي سطحي، نرمي و مقاومت دربرابر ضربه را در اين مواد به شكل قابل ملاحظه اي بهبود مي بخشد.
به عنوان نمونه ايروژل هاي كربني كه با نانولوله هاي كربني تركيب شده باشند مي توانند بدون ايجاد تغيير شكل ماندگار تا 80 درصد حجم خود فشرده شوند و سپس به شكل اوليه بازگردند و نوعي از ايروژل ساخته شده از اكسيد واناديوم و تركيب شده با پليمر آنقدر مقاوم است كه مقاومت فشاري آن نزديك به كامپوزيتهاي كربني استفاده شده در صنعت هوافضا مي باشد.
آينده ايروژل
ايروژل ها را يكي از مهمترين دستاوردهاي نانوتكنولوژي مي دانند. ايروژل ها مي توانند با بهبود عايقكاري به كاهش مصرف انرژي كمك شاياني نمايند، از آنها مي توان در ساخت پيلهاي سوختي، فيلترهاي هوا و نيز انواع سنسورها استفاده نمود. اخيرا از ايروژل براي ذخيره هيدروژن و نيز براي ساخت خازن هايي با ظرفيت خيلي بالا استفاده شده است، خازن هايي كه مي توانند جايگزين باطري هاي امروزي شوند.
متاسفانه قيمت ايروژل ها هنوز بالاتر از معادل هاي آنان است. به عنوان نمونه، اگرچه يك عايق ساخته شده از ايروژل مي تواند ضخامتي تا يك سوم كمتر از استايروفوم (يونوليت) داشته باشد، اما قيمت آن نزديك به چهار برابر است. يك قطعه نسبتا كوچك ترئيني از سيليكا ايروژل قيمتي در حدود سيصد هزار ريال دارد. همچنين پروسه توليد ايروژل هنوز به نسبت پيچيده است. در نتيجه هنوز فاصله قابل توجهي مانده است با به حقيقت پيوست روياي ساخت بنا با اين مصالح سبك كه عايق بسيار خوبي در برابر حرارت و صوت هستند و باربري مناسبي هم دارند. از همه اينها جالب تر اينكه نيمه شفاف هم هستند و نور را از خود عبور مي دهند. 
اما اگر روزي چنين امري محقق شود، آنوقت مي توان ساختماني در ابعاد ساختمان جامعه مهندسان مشاور ايران را با وزن كلي كمتر از يك تن ساخت (در مقايسه با حالت فعلي كه وزني در حدود 2000 تن دارد). آنقدر سبك كه با يك وانت پيكان هم قابل حمل باشد.