Bolesław Prus – Lalka, wyd. Gebethner i Wolff, 1890, licencja: domena publiczna

Marzenie profesora Geista

Przez 4 lata liceum przeczytałem od deski do deski tylko dwie lektury. Jedną z nich była „Lalka”. Zafascynowała mnie epizodyczna postać profesora Geista, szalonego wynalazcy, „starego waryata”, jak sam siebie określał. Marzyciel w 100% oddany nauce.

Zacytuję fragment z wizyty Wokulskiego w pracowni Geista w Paryżu.

„Mamy trzy sześciany tej samej wielkości i z tego samego materyału, które jednak są nierównej wagi. A dlaczego? Gdyż w pełnym sześcianie jest najwięcej cząstek stali, w pustym mniej, a w drucianym najmniej. Wyobraź więc sobie, że udało mi się zamiast pełnych cząstek, budować klatkowate cząstki ciał, a zrozumiesz tajemnicę wynalazku. Polega on na zmianie budowy wewnętrznej materyałów, co nawet dla dzisiejszej chemii nie jest żadną nowością”.

Ludzie – Prus to napisał ponad 130 lat temu!

Dziś zapewne sam Prus, jak też Geist, z fascynacją oglądaliby współczesne cuda: aerożele i nanopianki. Sam oglądam te materiały z szeroko otwartymi oczami. Ale zacznijmy od pewnych pojęć podstawowych. Chodzi o układy koloidalne, potocznie zwane koloidami. Są to specyficzne mieszaniny niejednorodne, składające się z (najczęściej) dwóch faz. Jedna z nich nazywa się fazą rozpraszającą, druga – rozpraszaną. Na pewno znacie je z codziennego życia. Mamy np. pianę, gdzie w cieczy (faza rozpraszająca) są zawieszone bąbelki powietrza (faza rozpraszana). Znamy też emulsje, gdzie są dwie niemieszające się ciecze. Do tej grupy zaliczamy np. mleko czy majonez. Być może widzieliście kiedyś tzw. szkło rubinowe, gdzie w zwykłym szkle występują cząstki złota nadające całości piękną czerwoną barwę. Jedyną mieszaniną, która z definicji nie tworzy koloidów, są gazy – one zawsze się ze sobą doskonale mieszają.

Podbudowani teorią możemy wyruszyć na wyprawę w krainę aerożeli. Sto lat temu amerykański chemik i inżynier Samuel Kistler pracował nad otrzymaniem materiałów o wielkiej porowatości. Efektem była publikacja w „Nature” w 1931 roku. Opisał tam, jak uzyskać porowaty materiał, który nazwano aerożelem. Wykorzystywał krzemionkę, tlenki metali, ale też substancje organiczne: albuminę, agar, nitrocelulozę. Aerożele są popularnie nazywane zamrożonym dymem (ang. frozen smoke), co doskonale obrazuje strukturę tego materiału. W zasadzie składa się on z powietrza „obudowanego” substancją stałą.

“Mrożony dym” – 2,5 kilogramowa cegła na 2-gramowym aerożelu
licencja: domena publiczna

Sam Kistler nie był zainteresowany przełożeniem swojego wynalazku na praktykę. Zainteresowała się nim firma Monsanto, dziś znana z zupełnie innych produktów. Produkowany przez nią aerożel miał być materiałem izolacyjnym, ale też zagęstnikiem do napalmu. Świat jednak nie był specjalnie zainteresowany, stąd aerożele pozostały na długie lata tylko ciekawostką technologiczną.

Jak się produkuje aerożel?

Zacznijmy od podstaw. W tym przypadku tzw. fazą rozpraszającą jest ciało stałe (np. krzemionka), a fazą rozproszoną gaz (zwykle powietrze). Pewnego rodzaju aerożele znamy z natury. Tego typu układem jest choćby pumeks, wulkaniczna skała magmowa o wysokiej porowatości. Aby otrzymać aerożel z krzemionki, bierze się ziarna krzemionki dobrze wymieszane z wodą. Drugim etapem jest zamiana fazy rozproszonej (wody) na inną ciecz, najczęściej alkohol, który z kolei jest zamieniany na inny łatwo parujący rozpuszczalnik organiczny. Całość umieszcza się w autoklawie i ogrzewa. Rozpuszczalnik odparowuje, pozostawiając w strukturze materiału pory. I gotowe. Innym rodzajem takiego żelu jest znany wszystkim styropian – tu fazą stałą jest polistyren. Przez lata wypracowano setki rozmaitych metod syntezy aerożeli dostosowanych do konkretnych zastosowań.

Aerożel z azotku boru (BN) o gęstości 0,6 mg/cm³ podtrzymywany dwoma włosami

Źródło: Wikipedia, licencja: CC BY-SA 4.0

Dlaczego aerożele są interesujące?

Tak naprawdę niezwykle mała gęstość aerożeli to tylko jedna z istotnych właściwości, ale niekoniecznie najważniejsza. Niesamowicie ważne są ich właściwości izolujące termicznie. Nawet cienka warstwa tego materiału chroni przed wysoką temperaturą. Wiadomo, że powietrze jako takie jest dobrym izolatorem ciepła. W strukturze aerożeli większość objętości stanowi właśnie powietrze, ale jest tu ono jeszcze lepszym izolatorem. Wynika to z tzw. efektu Knudsena. Wyjątkowo niewielkie wymiary przestrzeni porowatej w tym materiale powodują, że cząsteczki powietrza mają znacznie mniejszą średnią drogę swobodną (czyli nie mogą się efektywnie poruszać), a co za tym idzie znacznie słabiej przewodzą ciepło. Łatwo można się domyślić, że im mniejsze będą pory w aerożelu, tym bardziej efektywne będzie izolowanie.

Demonstracja doskonałych właściwości izolacyjnych aerożelu, licencja: domena publiczna

Ponowne odkrycie aerożeli

Ale tak naprawdę aerożelowa rewolucja #2 zaczęła się dopiero w latach 70. XX w. Było to związane z syntezą związków znanych jako siloksany. Okazały się one bardzo wdzięcznym materiałem do produkcji coraz to ciekawszych aerożeli. Sporo prac pochodziło w tym czasie z laboratoriów francuskich. Badacze poszukiwali efektywnych metod przechowywania tlenu i paliwa rakietowego w materiałach porowatych. Opracowali prostszy proces w porównaniu z Kistlerem, eliminując etap zamiany wody na alkohol. Odparowanie rozpuszczalnika w warunkach nadkrytycznych pozwoliło na uzyskanie aerożelu o wyjątkowo porowatej strukturze. W kolejnych latach okazało się, że materiały te są doskonałe do produkcji detektorów wykrywających promieniowanie Czerenkowa.

Jednak dopiero na przełomie XX i XXI w. zaczęto produkować naprawdę niezwykłe rodzaje aerożelu. Tym razem w grę nie wchodziły tlenki metali, ale same metale. W tym przypadku najpierw przygotowuje się związek kompleksowy metalu z ligandem organicznym, a następnie silnie ogrzewa (np. przy pomocy lasera), co powoduje utlenienie części organicznej do dwutlenku węgla i pozostawienie silnie porowatego metalu. Tego typu struktury nazywane są często nanopiankami, ponieważ średnica porów wewnątrz takich materiałów jest właśnie rzędu nanometrów. Uzyskano wiele rodzajów takich nanopianek, głównie z metali przejściowych, takich jak pallad, platyna, złoto czy nikiel. Nie była to tylko sztuka dla sztuki. Ze względu na olbrzymią powierzchnię właściwą takie aerożele / nanopianki znajdują zastosowanie jako wyjątkowo efektywne katalizatory. Gęstość metalicznych nanopianek jest zdecydowanie mniejsza od gęstości wody. W ostatnich latach spore zainteresowanie budzą nanopianki miedziowe, ponieważ są wykorzystywane jako katalizatory bardzo ważnej z ekologicznego punktu widzenia reakcji konwersji dwutlenku węgla do węglowodorów.

Mikrofotografia nanopianki złota (Au)

Źródło: Burpo, F., Nagelli, E., Morris, L., McClure, J., Ryu, M., & Palmer, J. (2017). Direct solution-based reduction synthesis of Au, Pd, and Pt aerogels. Journal of Materials Research, 32(22), 4153-4165. doi:10.1557/jmr.2017.412

Aerożele z węgla

Od jakiegoś czasu bardzo intensywne prace prowadzone są z wykorzystaniem takich odmian alotropowych węgla jak grafit, grafen i nanorurki. W przypadku tego pierwszego najczęściej stosowane są techniki druku 3D. Często otrzymuje się aerożele węglowe metodą pirolizy, czyli silnego ogrzewania bez dostępu powietrza. Otrzymany produkt charakteryzuje się wyjątkowo wielką porowatością i powierzchnią właściwą sięgającą 2500 m²/g. W zależności od procedury produkcji można uzyskać aerożele węglowe dobrze przewodzące prąd. Mają one zastosowanie praktyczne – produkuje się z nich superkondensatory, służące m.in. do magazynowania energii elektrycznej. Jest to temat bardzo przyszłościowy, stąd intensywne poszukiwania nowych metod wytwarzania aerożeli węglowych.

Ultralekki aerożel węglowy otrzymany przez zespół naukowców z Chin

Źródło: Adv. Mater., 2013, 25, 2554-2560

Przy okazji – inna odmiana alotropowa węgla, nanorurki, wytwarzana metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej, czasami też jest określana, błędnie, mianem aerożelu. Owszem, tego typu produkt ma niesamowite właściwości wytrzymałościowe i elektryczne, ale nie są aerożelami, ponieważ nie wykazują regularnej porowatości.

Przyszłość

Wydaje się pewne, że aerożele to materiały XXI wieku. Poza już znanymi zastosowaniami prowadzi się obecnie prace nad przechowywaniem wodoru w porach aerożelowych. Materiały te znajdą też zastosowanie w technice – m.in. do konstruowania mocnych i lekkich struktur lotniczych i kosmicznych. Mówi się o zastosowaniu specjalistycznych aerożeli do produkcji okien o wysokim stopniu izolacji termicznej. Innym obszarem zastosowań jest technologia oczyszczania wody i powietrza.

I pomyśleć, że wszystko zaczęło się od zakładu wspomnianego na początku Kistlera i jego kolegi z laboratorium, dr. Charlesa Learneda. Kistler stwierdził, że da radę usunąć wodę z żelu krzemionkowego bez zmniejszania jego objętości, Learned wątpił, że uda się to zrobić. Myślę, że żaden z nich nie spodziewał się, że sto lat później aerożele będą robić tak zawrotną karierę.