Aerogel: Izvanredan šarm čarobnog materijala
Na 650 stupnjeva, pištolj za raspršivanje plamena nastavlja prskati plamen, ali ne može zapaliti posebno obloženu kartonsku ljusku; Samo odvojena slojem filma, ruka pritisnuta na vrući stol dovoljno vruć da se "peče", ali može osjetiti samo malo topline; Na ruci stvara nevidljivi "zaštitni film" koji omogućuje da voda "iskoči" u trenu... Sve je to fenomen "znanstvene magije", a sve od novog materijala koji drži više od desetak Guinnessovih svjetskih rekorda - aerogel.
Kako bismo vam dali intuitivniji osjećaj čuda aerogela, napravimo nekoliko usporednih eksperimenata. Prvo, materijal aerogela iste debljine i tradicionalni izolacijski materijal (kao što je kamena vuna, silikat, itd.) stavljaju se u dvije identične visokotemperaturne komore za okoliš, čija je temperatura postavljena na 650 stupnjeva. Promjene temperature na vanjskoj strani dvaju materijala praćene su u stvarnom vremenu pomoću termalne slike tijekom istog 1-satnog razdoblja. Vidjet ćete da vanjska temperatura tradicionalnog materijala brzo raste i ne prođe mnogo vremena prije nego dođe do deformacija, dima itd., dok se vanjska temperatura aerogel materijala gotovo ne mijenja značajnije i uvijek se održava niskom. To u potpunosti pokazuje da aerogel daleko nadmašuje svojstva toplinske izolacije tradicionalnih materijala.
Pogledajte kontrast između aerogela i uobičajenih čvrstih tvari (kao što su metal, drvo itd.). Ako odaberete komad metala istog volumena kao izolacijska obloga od aerogela i zasebno ga izvagate, vidjet ćete da je težina aerogela mnogo lakša od težine metalnog bloka, što naglašava izuzetno lagane karakteristike aerogela. Zatim se istovremeno stavljaju na grijaću ploču postavljenu na 200 stupnjeva. Tijekom procesa zagrijavanja, termometrom izmjerite koliko brzo raste temperatura na površini dviju tvari, a rezultati će vas iznenaditi. Temperatura metalne površine raste brzo, dok temperatura površine aerogela raste vrlo sporo, što pokazuje izvrsnu termoizolacijsku sposobnost aerogela, u potpunom kontrastu, tako da možete dublje osjetiti čaroliju aerogela.
Držeći pištolj za raspršivanje plamena na temperaturi do 650 stupnjeva, ciljajte u običnu kartonsku ljusku i u trenu će papirna ljuska izgorjeti, plamen će se brzo proširiti, a kartonska ljuska će se pretvoriti u pepeo za samo oko 20 sekundi.
Međutim, kada je kartonska ljuska presvučena tankim slojem prozirne "čarobne boje" (tj. proizvodi srodni aerogelu) i ponovno spaljena plamenim pištoljem od 650 stupnjeva, situacija je bila sasvim drugačija. Ovaj put kartonska ljuska ne samo da se nije zapalila, već se nije vidio gotovo nikakav trag plamena koji je gorio, a na njezinoj je površini ostao samo sloj bijelog zrnastog praha. Ako dodirnete poleđinu papira, uopće ne možete osjetiti toplinu. Prema osoblju, u okruženju visoke temperature od 650 stupnjeva, može izdržati gorenje više od 3 sata bez oštećenja.
U ovom eksperimentu, toplina plamena pokušala je prodrijeti u kartonsku ljusku, ali premaz aerogela djelovao je kao neuništiva barijera, nemilosrdno zadržavajući toplinu. Kartonska ljuska može biti sigurno okružena plamenom, kao čarolijom, što je živopisna demonstracija nevjerojatnih svojstava toplinske izolacije aerogela.
Druga "magija" se odnosi na vodu. U jednom spremniku, sloj netaljivog "čarobnog praha" (čestice aerogela) čvrsto visi iznad vode. Novinar je posegnuo kroz puder do dna i odmah osjetio da je cijela ruka natopljena vodom. Ali kad je izvukao ruku, iznenadio se kad je ustanovio da u njoj nema ni kapi vode. Naknadno je ta ruka više puta stavljana u druge bazene ili čak direktno isprana vodom, a cijela ruka uvijek je izgledala kao da je omotana nevidljivim "zaštitnim filmom" koji je mogao "iskočiti" svu vodu.
Ovo svojstvo aerogela da odbija vodu je zbog njegovih posebnih površinskih svojstava. Njegova mikrostruktura otežava molekulama vode da se zalijepe za njega, i umjesto toga stvara kapljice koje padaju, baš kao i učinak samočišćenja na površini lotosovog lista.
Možete li vjerovati da ljudska ruka može dotaknuti predmet iznad 100 stupnjeva bez opeklina?
Treća "magija" se fokusira na "toplinu". U vrućem stolu koji može natjerati hladnu vodu da zakipi i trenutno ispari, raširi sloj "čarobnog filma" (aerogel izolacijski papir), novinar je nervozno pritisnuo ruku na njega, i začudo, osjetio samo malo topline.
Tehnologija: istraživanje i razvoj vodećih svjetskih metoda pripreme
Iza ove nevjerojatne "čarobne boje", "čarobnog praha" i ostalih "čarolija", naime, stoje svojevrsni Guinnessovi rekordi s više od 10, a časopis Science hvaljen kao "čarobni materijal koji može promijeniti svijet" - aerogel.
Inženjer podrške industriji novih materijala Coon rekao je novinarima da je aerogel trenutno najlakši čvrsti materijal poznat na svijetu, a također je i najizvrsniji čvrsti materijal na svijetu s toplinskom izolacijom i protupožarnom izvedbom.
Što čini aerogel tako nevjerojatnim? Inženjer je objasnio analogijom "šećerne vune".
Inženjeri su primijetili da je odnos između aerogela i pijeska (uglavnom silicijevog dioksida) sličan odnosu između marshmallowa i bijelog šećera. Njegova svojstva toplinske izolacije i usporavanja plamena tako su izvrsna zbog postojanja brojnih rupa u nanosmjeru u njegovoj molekularnoj strukturi, s poroznošću većom od 95%. Ove rupe u nanorazmjerima poput su "labirinta toplinske izolacije" u mikroskopskom svijetu, gdje se toplina stalno reflektira i raspršuje dok putuje, što otežava njezino glatko provođenje, tako da je toplinska vodljivost aerogela iznimno niska i može postići učinak toplinske izolacije sličan vakuumu. "Rupe u sljezu vidljive su golim okom, dok su rupe u aerogelu nanorazmjera, 1,000 puta manje od promjera ljudske vlasi."
Unatoč izvrsnim svojstvima, aerogelove je teško nabaviti.
Tradicionalna priprema aerogela zahtijeva metodu "superkritične pripreme sušenja", koja se mora pripremati nekoliko dana pod visokom temperaturom i pritiskom. To dovodi do mnogih problema kao što su visoki troškovi ulazne opreme, složeni tijek procesa, ozbiljne emisije onečišćenja itd., zbog čega troškovi proizvodnje ostaju visoki. Stoga se aerogel proizvodi uglavnom koriste u ključnim područjima kao što je zrakoplovstvo.
S obzirom na ovu situaciju, inovacijski tim predvođen Xie Yijem, akademikom Kineske akademije znanosti i profesorom Kineskog sveučilišta znanosti i tehnologije, nakon desetljeća neprekidnih napora, neovisno je razvio vodeću svjetsku metodu pripreme aerogela - " zaštita okoliša aerogel metoda sušenja pod atmosferskim tlakom". Ova metoda može uvelike smanjiti troškove pripreme aerogela, lakše promovirati industrijalizaciju proizvoda aerogela i učiniti da stvarno uđu u naš svakodnevni život.
Primjena: Izrada "vatrenog kaputa"
U području građevinarstva primjenom aerogela postignuti su zapaženi rezultati. Na primjer, u velikoj komercijalnoj zgradi, godišnja potrošnja energije za hlađenje i grijanje prilično je velika kada se ne koristi izolacija od aerogela, a troškovi električne energije čine značajan udio operativnih troškova. Nakon modifikacije aerogel izolacijskih materijala, rigoroznim praćenjem potrošnje energije i statistikom, utvrđeno je da je godišnja potrošnja energije za hlađenje i grijanje uvelike smanjena, a pripadajući utrošak električne energije također je značajno smanjen.
Razina potrošnje energije znatno je niža nego kod sličnih poslovnih zgrada u blizini koje ne koriste izolaciju od aerogela, a ušteda energije je očita.
To je uglavnom zbog izvrsnih svojstava aerogel izolacijskih premaza za zgrade. Potreban je samo tanki premaz od 2 do 5 mm kako bi se postigao učinak konstantne temperature od 40 do 60 mm običnog izolacijskog materijala, čime se smanjuje potrošnja energije u prostoriji za više od 30%. Ova visoko učinkovita izolacijska sposobnost ne samo da štedi znatne operativne troškove za vlasnike zgrada, već daje i pozitivan doprinos smanjenju ukupne potrošnje energije u građevinskom sektoru u kontekstu zagovaranja cijelog društva za očuvanje energije i smanjenje emisija.
Zhejiang Runfew New Material Co., Ltd odigrao je nezamjenjivu ulogu u ovom procesu. Njegova pomno razvijena serija proizvoda aerogela nastavlja ubrizgavati novu vitalnost u polje očuvanja energije u zgradarstvu, pomaže većem broju zgrada u postizanju visokoučinkovite izolacije i uštede energije i smanjenja potrošnje, te čini da aerogel ovaj čarobni materijal ima veću vrijednost u području građenja.