الهلام الهوائي الأيروجل

الهلام الهوائي الأيروجل

الهلام الهوائي هو مادة صلبة منخفضة الكثافة مشتقة من هلام تم استبدال المكون السائل للهلام فيه بالغاز. والنتيجة هي مادة صلبة منخفضة الكثافة للغاية وذات مسامية عالية مع العديد من الخصائص الرائعة، وأبرزها فعاليتها كعازل.

يُلقب بالدخان المجمد بسبب طبيعته شبه الشفافة والطريقة التي ينتشر بها الضوء في المادة. يشبه ملمسه البوليسترين الموسع (الستايروفوم).

تعتبر الهلاميات الهوائية عوازل حرارية

تعتبر الهلاميات الهوائية عوازل حرارية رائعة لأنها تلغي تقريبًا ثلاث طرق لنقل الحرارة ( الحمل الحراري والتوصيل والإشعاع ) . وهي مثبطات جيدة للحمل الحراري لأن الهواء لا يستطيع الدوران في جميع أنحاء الشبكة.

يعتبر الهلام الهوائي المصنوع من السيليكا عازلًا موصلًا جيدًا بشكل خاص لأن السيليكا موصل رديء للحرارة – من ناحية أخرى، سيكون الهلام الهوائي المعدني عازلًا أقل فعالية.

يعتبر الهلام الهوائي المصنوع من الكربون عازلًا إشعاعيًا جيدًا لأن الكربون يمتص الأشعة تحت الحمراء التي تنقل الحرارة.

أكثر الهلام الهوائي قدرة على العزل هو الهلام الهوائي المصنوع من السيليكا مع إضافة الكربون إليه.

كيفية انتاج الهلام الهوائي الأيروجل:

تتضمن الطريقة العامة لإنتاج الهلام الهوائي استخراج المكون السائل من الهلام بتقنية تعرف باسم التجفيف فوق الحرج . في هذه التقنية، يتم إحضار السائل إلى حالة “فوق حرجة” ثم يتم سحبه من المصفوفة الصلبة للهلام. (عندما تكون المادة في حالتها فوق الحرجة، يتوقف التمييز بين طورها السائل والغازي عن التطبيق.) تمنع هذه الطريقة انهيار المصفوفة الصلبة، كما يحدث مع التبخر التقليدي.

تم إنشاء الهلام الهوائي لأول مرة بواسطة صامويل ستيفنز كيستلر في عام 1931، نتيجة لرهان مع تشارلز ليرند حول من يمكنه استبدال السائل داخل جرة المربى (الهلام) بالغاز دون التسبب في انكماش.

أنتج كيستلر أول هلام هوائي من شكل غرواني من هلام السيليكا . تضمن عمله اللاحق إنتاج الهلام الهوائي من الألومينا وأكسيد الكروم (III) وأكسيد القصدير. تم تطوير الهلام الهوائي الكربوني لأول مرة في أوائل التسعينيات.

تاريخيًا، كان النوع الأكثر بحثًا من الهلام الهوائي هو النوع “الأزرق” من السيليكا الذي يبدو مجسمًا. اليوم، يمكن تحضير الهلام الهوائي من العديد من المواد المختلفة، بما في ذلك:

• السيليكا، كل من المواد المحبة للماء (التي تمتص الماء) والكارهة للماء (التي تطرد الماء)
• أكاسيد المعادن الانتقالية، وأكاسيد اللانثانيدات، وأكاسيد الأكتينيدات، وأكاسيد المجموعة الرئيسية، وأكاسيد المصفوفة المختلطة
• البوليمرات مثل الفينولات والبولي يوريا والبولي يوريثين والبولي إيميدات والبولي أميدات
• الكربون غير المتبلور، والكربون الجرافيتي، وأنابيب الكربون النانوية، والجرافين
• الكالكوجينيدات المعدنية
• النقاط الكمومية
• المعادن والكربيدات

المواد المسامية للهلام الهوائي:

منذ اختراعها، كانت الهلاميات الهوائية مصنوعة في المقام الأول من السيليكا. يتم دمج السيليكا مع مذيب لتكوين هلام. ثم يتم إخضاع هذا الهلام لعملية استخلاص سائل فوق حرجة.

تتضمن عملية استخلاص السائل فوق الحرج هذه إدخال ثاني أكسيد الكربون السائل إلى الهلام. يتجاوز ثاني أكسيد الكربون النقطة الحرجة للغاية، حيث يمكن أن يكون إما غازًا أو سائلًا، ثم يتم تنفيسه.

يتم إجراء هذا التبادل عدة مرات لضمان إزالة جميع السوائل من الهلام. المادة الناتجة هي الهلام الهوائي.

توفر الهلاميات الهوائية عزلًا فعالًا للغاية، لأنها مسامية للغاية والمسام في نطاق النانومتر. المسام النانوية غير مرئية للعين البشرية. وجود هذه المسام يجعل الهلام الهوائي ماهرًا جدًا في العزل.

تم استخدام الهلام الهوائي التقليدي القائم على السيليكا بنجاح في العديد من التطبيقات، مثل توفير العزل على مركبة المريخ. كما تم استخدامه في العديد من المنتجات التجارية.

عندما يتم استخدام الهلام الهوائي للأغراض التجارية، فإنه عادة ما يكون في شكل حبيبات أو مركب مع مواد أخرى.

تم دمج الهلام الهوائي مع الحشو لإنشاء “بطانيات” عازلة، بالإضافة إلى ملئها بين ألواح الزجاج لإنشاء ألواح شفافة لتطبيقات الإضاءة النهارية.

هلام السيليكا الهوائي

الهلام الهوائي القائم على السيليكا خفيف جدًا، حيث أنه مسامي بنسبة 95٪ تقريبًا. الهلام الهوائي السيليكا مفيد جدًا، ولكن له حدود ، فهو هش للغاية.

يمكن صنع هلام السيليكا الهوائي عن طريق تجفيف (في بيئة قاسية) هلام مائي مكون من السيليكا الغروية ، مع الماء كوسيط للتشتت.

بدلاً من ذلك، يمكن بدء العملية عن طريق خلط الكحول السائل (مثل الإيثانول ) مع مقدمة ألكوكسيد السيليكون لتشكيل “هلام كحولي”. ثم يمكن استبدال الكحول بالأسيتون السائل (مما يسمح بتدرج أفضل للامتزاج)، يليه ثاني أكسيد الكربون السائل ، والذي يتم إحضاره بعد ذلك فوق نقطته الحرجة.

يتضمن أحد أشكال هذه العملية الحقن المباشر لثاني أكسيد الكربون فوق الحرج في وعاء الضغط الذي يحتوي على الهلام الهوائي. والنتيجة النهائية هي إزالة كل السائل من الهلام واستبداله بالغاز، دون السماح لبنية الهلام بالانهيار أو فقدان الحجم.

تم تصنيع مركبات الهلام الهوائي باستخدام مجموعة متنوعة من التعزيزات المستمرة وغير المستمرة. وقد تم استخدام نسبة العرض إلى الارتفاع العالية للألياف مثل الألياف الزجاجية لتقوية مركبات الهلام الهوائي مع تحسين الخصائص الميكانيكية بشكل كبير.

هلام الريزورسينول – فورمالدهيد الهوائي (RF aerogel):

هلام الريزورسينول – فورمالدهيد الهوائي (RF aerogel) هو بوليمر مشابه كيميائيًا لراتنج الفينول فورمالدهيد. يتم تصنيعه بطريقة مماثلة لإنتاج هلام السيليكا الهوائي.

يتم تصنيع الهلام الهوائي الكربوني عن طريق التحلل الحراري للهلام الهوائي المكون من الريزورسينول والفورمالديهايد في جو من الغاز الخامل، مما يترك مصفوفة من الكربون . وهو متوفر تجاريًا على شكل أشكال صلبة أو مساحيق أو ورق مركب.

الهلام الهوائي المصنوع من الألومينا

تُعرف الهلاميات الهوائية المصنوعة من أكسيد الألومنيوم باسم الهلاميات الهوائية المصنوعة من الألومينا . تُستخدم هذه الهلاميات الهوائية كمحفزات، وخاصةً عندما يتم “إشباعها بالمعدن” بمعدن آخر.

ويُعَد الهلام الهوائي المصنوع من النيكل والألومينا التركيبة الأكثر شيوعًا. كما تقوم وكالة ناسا بفحص الهلاميات الهوائية المصنوعة من الألومينا لالتقاط الجسيمات فائقة السرعة؛ حيث يمكن للتركيبة المخصبة بالجادولينيوم والتربيوم أن تتألق في موقع اصطدام الجسيمات، مع اعتماد مقدار التألق على سرعة الاصطدام.

SEAgel

SEAgel عبارة عن مادة تشبه الهلام الهوائي العضوي، مصنوعة من الأجار .

ملحوظة:

هناك نوع من الهلام الهوائي المصنوع من الكالكوجين (عمود العناصر في الجدول الدوري الذي يبدأ بالأكسجين) مثل الكبريت والسيلينيوم والبلاتين وعناصر أخرى.البحث مستمر، كما تم استخدام معادن أقل تكلفة من البلاتين في إنشائه.

:أستخدامات الهلام الهوائي الأيروجل

يمكن استخدام الهلام الهوائي في مجموعة متنوعة من المهام، وسوف نذكر عددًا منها أدناه.

• تم استخدام المواد الهلامية الهوائية تجارياً في شكل حبيبات لإضافة العزل إلى فتحات السقف.
• بعد عدة رحلات على مذنب القيء، أظهر فريق بحثي  أن إنتاج هلام السيليكا الهوائي في بيئة خالية من الوزن يولد جزيئات ذات حجم أكثر تجانسًا وتشتت رايلي منخفض، بحيث يكون هلام السيليكا الهوائي أقل زرقة وأكثر شفافية. سيكون هلام السيليكا الهوائي الشفاف مناسبًا جدًا كمواد عزل حراري للنوافذ، مما يحد بشكل كبير من الخسائر الحرارية للمباني.
• أدت المساحة السطحية العالية لمختلف أنواع الهلاميات الهوائية إلى العديد من التطبيقات، بما في ذلك استخدامها كممتصات كيميائية لتنظيف الانسكابات. توفر هذه الخاصية أيضًا إمكانية استخدام بعض الهلاميات الهوائية كمحفزات أو حاملات محفزات.
• يمكن استخدام بعض أنواع جزيئات الهلام الهوائي كعوامل تكثيف في بعض الدهانات ومستحضرات التجميل .
• يمكن تعزيز أداء الهلام الهوائي لتطبيق معين عن طريق إضافة مواد مضافة وهياكل تقوية ومركبات تهجين. وباستخدام هذا النهج، يمكن زيادة نطاق تطبيقات الهلام الهوائي بشكل كبير.
• بدأت عملية تصنيع “بطانيات” الهلام الهوائي تجاريًا في عام 2000 تقريبًا. بطانية الهلام الهوائي عبارة عن مركب من الهلام الهوائي السيليكاي والتدعيم الليفي الذي يحول الهلام الهوائي الهش إلى مادة متينة ومرنة. يمكن تغيير الخصائص الميكانيكية والحرارية للمنتج بناءً على اختيار ألياف التدعيم ومصفوفة الهلام الهوائي وإضافات التعتيم المضمنة في المركب.
• استخدمت وكالة ناسا بعض مواد الهلام الهوائي لاحتجاز جزيئات الغبار الفضائي على متن مركبة ستارداست الفضائية. تتبخر الجزيئات عند الاصطدام بالمواد الصلبة وتمر عبر الغازات، ولكن يمكن حبسها في الهلام الهوائي. كما استخدمت وكالة ناسا الهلام الهوائي للعزل الحراري لمركبة المريخ والبدلات الفضائية.  كما أن الكتلة المنخفضة للهلام الهوائي مفيدة أيضًا للمهام الفضائية.
• في فيزياء الجسيمات ، تُستخدم بعض الهلاميات الهوائية كمشعات في كواشف تأثير شيرينكوف. يُعد نظام ACC الخاص بكاشف بيل، المستخدم في تجربة بيل في KEKB، مثالاً حديثًا على هذا الاستخدام. يتم تحديد مدى ملاءمة الهلاميات الهوائية من خلال معامل انكسارها المنخفض، وملء الفجوة بين الغازات والسوائل، وشفافيتها وحالتها الصلبة، مما يجعلها أسهل في الاستخدام من السوائل المبردة أو الغازات المضغوطة.
• تُستخدم الهلاميات الهوائية المكونة من الريزورسينول والفورمالديهايد في الغالب كمواد أولية لتصنيع الهلاميات الهوائية الكربونية، أو عندما تكون هناك حاجة إلى عازل عضوي ذي مساحة سطح كبيرة. ويمكن أن تصل مساحة سطحها إلى 600 متر مربع لكل جرام من المادة.
• يمكن تحضير نانو مركبات هلامية معدنية هوائية عن طريق تشريب الهيدروجيل بمحلول يحتوي على أيونات معدن نبيل مناسب أو معدن انتقالي . ثم يتم تعريض الهيدروجيل المشبع لأشعة جاما ، مما يؤدي إلى ترسب جسيمات نانوية من المعدن. يمكن استخدام مثل هذه المركبات، على سبيل المثال ، كمحفزات أو أجهزة استشعار أو دروع كهرومغناطيسية، وكذلك في التخلص من النفايات. ومن الاستخدامات المحتملة لمحفزات البلاتين على الكربون في خلايا الوقود .
• يمكن استخدام بعض الهلاميات الهوائية كأنظمة لتوصيل الأدوية، بناءً على توافقها الحيوي. نظرًا لمساحة السطح العالية والبنية المسامية للهلام الهوائي، يمكن امتصاص الأدوية إذا تم إدخالها مع ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج. يمكن تصميم معدل إطلاق الأدوية بناءً على خصائص الهلام الهوائي.
• تُستخدم الهلاميات الهوائية الكربونية في بناء مكثفات فائقة كهربائية كيميائية صغيرة مزدوجة الطبقة. ونظرًا للمساحة السطحية العالية للهلام الهوائي، يمكن أن تكون هذه المكثفات أصغر بمقدار 2000 إلى 5000 مرة من المكثفات الكهروليتية ذات التصنيف المماثل. يمكن أن تتمتع المكثفات الفائقة الهلامية الهوائية بمقاومة منخفضة للغاية مقارنة بالمكثفات الفائقة العادية ويمكنها امتصاص/إنتاج تيارات ذروة عالية جدًا.
• أظهرت المواد الهلامية الكالكو نتائج واعدة في امتصاص الملوثات المعدنية الثقيلة مثل الزئبق والرصاص والكادميوم من الماء.
• يمكن استخدام مادة الهلام الهوائي لإدخال الفوضى إلى الحالة الفائقة السيولة للهيليوم-3.

:ملخص أستخداماته

1-تُستخدم الهلاميات الهوائية في مجموعة متنوعة من التطبيقات. فبعضها مفيد للعزل الحراري وتنظيف الانسكابات الكيميائية.

2- بعضها الآخر، عند تحضيره بشكل مناسب، يوفر نظامًا مفيدًا لتوصيل الأدوية للعلاجات الطبية.

3- تُستخدم الهلاميات الهوائية الكربونية في تصنيع المكثفات الفائقة الكهروكيميائية الصغيرة ذات الطبقتين.

4- قد تم دمج بعض الهلاميات الهوائية في مضارب التنس والاسكواش.

5- في استكشاف الفضاء، تم استخدام مواد الهلام الهوائية لاحتجاز الغبار الفضائي.

المراجع :

1- موقع https://www.newworldencyclopedia.org/entry/Aerogel أطلعت عليه بتاريخ 31/10/2024.

2- موقع https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Aerogel.html#google_vignette أطلعت عليه بتاريخ 31/10/2024.

3- موقع  https://www.nasa.gov/aeronautics/aerogels-thinner-lighter-stronger/ أطلعت عليه بتاريخ 5/11/2024.