Aerogely aneb "zmrzlý kouř"

Aby ovšem článek nevyzněl tak, že se jedná o skupinu úplně nových materiálů, zabrousíme trochu do historie. Již v roce 1931 se povedlo Samuelu Stephensovi Kistlerovi připravit první materiály nesoucí označení aerogel. Ten přišel s myšlenkou, že gely jsou složeny ze dvou složek, a to z kapalné fáze a jisté sítě tvořené pevnou látkou. Aby však svou hypotézu ověřil, rozhodl se, že nahradí kapalnou složku plynem tak, aby zůstala zachována síť tvořená pevnou látkou. První pokusy však dopadly neúspěchem. Při běžném sušení na vzduchu docházelo k popraskání gelu, snížení jeho objemu a celkově destrukci sítě. To je způsobeno kapilárními silami. Kistler tedy přišel s myšlenkou, že správné vysušení gelů by mohlo probíhat za podmínek, kdy odstraní rozhraní mezi kapalnou a plynnou fází. A těmito podmínkami jsou nadkritické podmínky, tj. stav, kdy je systém podroben vysokému tlaku a teplotě. Dalším poznatkem bylo to, že v klasickém gelu je vhodné nejprve nahradit vodu alkoholem a teprve potom gel podrobit vysokému tlaku a teplotě. To byly první poznatky učiněné v oboru přípravy aerogelů a Kistler si tím vysloužil pracovní pozici ve firmě Monsanto Corporation. To však bylo na několik desítek let vše, co bylo v oboru zjištěno.

V sedmdesátých letech došlo opět k otevření kapitoly aerogelů. Významnou měrou se na dalším vývoji podílel Stanislaus Teichner. Ten totiž studoval možnosti uložení raketového paliva a kyslíku v porézních materiálech. Společně se svým studentem doktorského studia přišli na metodu, jak urychlit přípravu aerogelů. Klasické křemičitany, které k tvorbě gelů používal Kistler, nahradili alkoxysilany, přesně řečeno tetramethylorthosilikátem. Jeho hydrolýzou v roztoku methanolu získali gel v jediném kroku přípravy. Následný postup úpravy za nadkritických podmínek zůstal stejný.

V osmdesátých letech byl ve vědecké skupině Arlona Hunta nahrazen toxický tetramethylorthosilikát (TMOS) tetraethylorthosilikátem (TEOS), který je bezpečnější. A současně vědci z Microstructured Materials Group zjistili, že alkohol je možno nahradit kapalným oxidem uhličitým. Téhož poznatku bylo učiněno ve firmě BASF. Výhodou CO2 bylo to, že během přípravy nedocházelo k výbuchům.

Proč si však aerogely vysloužily takový zájem ze strany vědců? Jaké jsou jejich vlastnosti? V první řadě se jedná o materiály porézní, křehké, ale například i průsvitné. Velkou výhodou jsou jejich tepelně-izolační vlastnosti. Z mechanických vlastností je možno uvést to, že mohou udržet mnohonásobně vyšší hmotnost, než sami váží. Zajímavé je například zjištění, že hustota materiálů bývá v řádech desetin až tisícin gramů na mililitr, což je zhruba 10 - 1000x méně než u vody. Na druhou stranu, jak už bylo řečeno, jsou velmi křehké. Někoho by mohlo napadnout, že při rozbití struktury může docházet ke vzniku nanočástic podobně jako u azbestu. To je sice pravda, ale na rozdíl od azbestu, vzniklé nanočástice mají hladký a kulovitý tvar.

Další velmi významnou vlastností je jejich nízká tepelná vodivost. To je způsobeno strukturou materiálu. Podíl pevné složky je totiž zhruba v rozmezí 0,15 - 15 %. To znamená, že více než 85 % objemu materiálu zaujímá plyn, který má nízké koeficienty vedení tepla. Díky těmto vlastnostem by mohly v budoucnu nahradit tradiční izolační materiály jako je polystyren. Limitujícím faktorem je v současné době cena výroby.

Další zajímavou vlastností je to, že materiál propouští světlo. S přihlédnutím k izolačním vlastnostem by se tudíž daly využít i jako náhrada klasických skleněných tabulí. Pro zajímavost, jejich izolační vlastností jsou 32x lepší než u tabulového skla. Omezení v použití je v tomto případě jejich nízká transparentnost, tj. propustnost světla. U křemíkových aerogelů je možno pozorovat další z optických vlastností. Pokud aerogel, kterým prochází světlo, pozorujeme proti tmavému pozadí, můžeme si všimnout, že se jeví jako namodralý. Kdežto světlo, které jím projde je naopak zbarvené do červena. Jevem, který je za toto chování odpovědný, je Rayleighův rozptyl. Ten způsobuje i to, že je obloha ve dne zbarvena modře a při západu slunce do červena.

Výroba aerogelů je sice ještě finančně náročná pro masové aplikace, ale do budoucna by se s nimi mělo počítat. Jejich použití by pak mohlo být následující: izolační materiál pro zateplování budov, náhrada klasických okenních tabulí, u synchrotronů jako detektory Čerenkovova záření, v medicíně jako nosiče léků, chemické katalyzátory nebo nosiče katalyticky aktivních látek, při čištění vody od ropných a olejových nečistot, ale i jako velmi významné adsorbenty plynů, například oxidu uhličitého. V současné době jsou již používány v kosmickém programu agentury NASA jako lapače vesmírného prachu, který je dále analyzován.

Autor: Martin Kout, MKout@seznam.cz