Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA, IČO: 26551772, ISSN: 1214-1674, Číslo 40 (vyšlo 6. října), ročník 1 (2003) (c) Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. Email: bulletin@aldebaran.cz

40/2003

Martin Žáček: Aerogely a kosmický prach

Aerogely nejsou vůbec převratnou novinkou, jak by se mohlo leckterému čtenáři, který se s tímto pojmem setkává poprvé, zdát. Skutečnost je taková, že aerogely jsou známy více jak 70 let, jak bude dále uvedeno. Novinkou jsou aerogely vyrobené z nových materiálů, s rekordními parametry a některé aerogelové aplikace v kosmickém výzkumu. Aerogely totiž na jednu stranu vykazují naprosto mimořádné vlastnosti, nedosažitelné jinými materiály, na druhou stranu je jejich výroba ještě poměrně komplikovaná a drahá, což je zatím vylučuje z mnoha běžných aplikací, na které by se jinak náramně hodily a předurčuje je spíše pro špičkové aplikace, kde více než na ceně záleží na dosažených parametrech.

Co jsou aerogely

Aerogely jsou vlastně tím co zbyde, když se nám z kapalného gelu podaří nějakým způsobem odstranit kapalnou složku tak, aby se nepoškodila pevnolátková struktura. Ta pak může obsahovat až 99,8% vzduchu, ale protože mikroskopické póry jsou nepatrné, řádově desítky nanometrů, v mnoha ohledech se aerogel navenek chová jako kompaktní hmota podobná například lehkému sklu. Bez nadsázky lze říci, že jde o nejlehčí pevnou látku, kterou známe. Někdy se pro ně používá přirovnání, že jsou jako zamrzlý kouř.

Vzhled aerogelu drženého v ruce (snímek NASA).

Z historie aerogelů

První aerogel byl vyroben Stephensem S. Kistlerem, pracujícím tehdy v College of the Pacific ve Stocktonu v Kalifornii. Kistler své bádání založil na hypotéze, že obyčejný, kapalný gel se skládá jednak z kapalné fáze, jednak také z pevnolátkové sítě, jejíž póry vyplňuje ona kapalná složka. Přímočarý nabízející se způsob, jak tuto hypotézu ověřit, spočíval v odstranění kapalné složky gelu, aniž by se poškodila pevnolátková síť. Při běžných způsobech sušení se však tato snaha ukázala jako marná. Gel se scvrkl na zlomek původní velikosti a z původní gelové sítě nezbylo nic, co by dokazovalo přítomnost pevné složky v gelu. Navíc, při sušení vznikaly různé praskliny a svraštěliny a vysušený gel kromě velikosti změnil podstatně i tvar. Kistler správně vytušil, že pevná struktura gelu je mikroporézní a poškodí se tlakem vypařující se kapaliny a záhy objevil klíč, jak tuto potíž odstranit. To, co poškodí gelovou strukturu, je totiž rozhraní kapalina-plyn, které je vždy přítomno při běžných způsobech vysoušení. Bezpečné odstranění kapaliny je nutno provést postupem, kdy se během zahřívání současně zvyšuje tlak tak, aby byl vyšší než tlak nasycených par odpovídající dané tepolotě a to až do nadkritických hodnot teploty a tlaku. Pak totiž přestane existovat rozhraní kapalina-plyn a gel lze bezpečně vysušit. Ani poté však nebyl tento postup snadný, Kistler po mnoha exerimentování zjistil, že úspěšný postup vede přes mezikrok, kdy je voda v gelu nahrazena alkoholem a pak teprve se provede vysušení za nadkritické teploty a tlaku pro alkohol.

Samuel Stephens Kistler

První Kistlerem připravené aerogely byly velmi podobné těm, které jsou připravovány dnes. Byly průsvitné, vysoce porézní a lehké. V dalších šesti letech Kistler připravil aerogely z celé řady materiálů a prozkoumal jejich vlastnosti. Dokonce po několika letech opustil univerzitu a stal se zaměstnancem firmy Monsanto Corporation, která začala aerogely na bázi křemíku komerčně vyrábět v granulové formě. Tyto komerčně produkované aerogely se používaly zejména jako aditiva a thixotropická činidla v kosmetice. V následujících třiceti letech však nebyl v poznání aerogelů učiněn téměř žádný pokrok, v šedesátých letech Montsano Corporation ukončila jejich výrobu a na jedno desetiletí se na aerogely skoro zapomnělo.

V sedmdesátých letech se obrátila francouzská vláda na Stanislause Teichnera z univerzity Claud Bernard v Lyonu, který hledal metodu, jak ukádat kyslík a raketové palivo v porézních materiálech. Následující událost patří k legendě mezi komunitou vědců specializovaných na aerogely. Teichner přidělil jednomu ze studentů úlohu připravit a studovat aerogely pro tuto aplikaci. Když student přípravu aerogelů zvládl, Taichner ho informoval, že k tomu, aby dokončil svou dizertaci, bude potřebovat velmi mnoho vzorků aerogelu. Avšak vzhledem k pracnosti jejich přípravy (Kistlerovou metodou, zahrnující dva časově náročné a pracné kroky, trvala příprava jednoho vzorku aerogelu zhruba dva týdny) by bylo potřeba mnoho let a zklamaný student se proto rozhodl opustil Teichnerovu laboratoř. Dlouho to však nevydržel a po krátké pauze se do laboratoře opět vrátil, silně motivovaný k nalezení lepšího procesu syntézy. To se mu skutečně podařilo a uskutečnil tak bezpochyby největší pokrok v aerogelové vědě. V jeho postupu se využívá chemie pevných gelů (sol-gel chemistry). Tento proces nahrazuje sodíko-křemičitany používané Kistlerem alkoxysilany (tetramethylorthosilikát, TMOS). Hydrolizací TMOS v roztoku methanolu je možné získat alkoholový gel v jediném kroku (nazývaném alkogel), což eliminovalo dva Kistlerovy kroky. Vysušení těchto alkogelů za nadkritických podmínek poskytlo vysoce kvalitní aerogely. Teichnerova skupina a další uzpůsobili tento postup k přípravě široké škály aerogelů na bázi oxidů kovů.

V roce 1980 se v částicové fyzice přišlo na skutečnost, že aerogely jsou ideální médiem pro detekci Čerenkovova záření. Tím se rozvoj aerogelů ještě více urychlil, neboť pro tyto experimenty bylo potřeba připravit velké bloky transparentních křemíkových aerogelů. Za použití TMOS metody byly vyrobeny dva první velké detektory. Jeden, o objemu 1 700 litrů na zařízení DESY (Deutsches Elektronen SYnchrotron) v Hamburku a druhý, o objemu 1 000 litrů, přiravený Univerzitou Lund ve Švédsku, sloužil v evropské laboratoři vysokých energií CERN. První pilotní provoz na výrobu aerogelových monolitů byl tak zřízen členy skupiny Lund v Sjobo ve Švédsku v roce 1984. Jejich autokláv měl objem 300 litrů a byl navržen pro nadkritické parametry methanolu, 240°C, 80 atmosfér.

Rok 1983 znamenal další pokrok v technologii výroby, kdy vědecká skupina Arlona Hunta z Berkeley zjistila, že toxická sloučenina TMOS se dá nahradit tetraethylorthosilikátem (TEOS) která je bezpečnější a kvalita aerogelů přitom zůstává zachovaná. Téhož roku vědci z Microstructured Materials Group zjistili, že alkohol lze nahradit kapalným CO₂ před nadkritickým ohřevem, aniž by se poškodila struktura gelu - stačí nyní jen 31°C a 52 atmosfér a navíc CO₂ nevybuchuje. Totéž souběžně vyvinuli v BASF (Badische Anilin und Soda Fabrik - Bádenská továrna na Anilin a sodu) a aerogel vyráběli do roku 1996 pod názvem BASOGEL.

Pokud by byl okamžik, od kterého by byla nějaká lidská činnost považována za samostatné vědecké odvětví, určen podle toho, kdy se pro daný obor konala poprvé specializovaná vědecká konference, u aerogelů by to byl právě rok 1985. Tehdy totiž profesor Jochen Fricke uspořádal první mezinárodní sympozium na téma aerogely (ISA - International Symposium on Aerogels). Konference probíhala ve Würzburku v Německu a na poměry v jiných vědeckých oborech se jednalo o skutečně maličkou konferenci; prezentováno bylo 25 příspěvků. Poslední, šesté aerogelové symposium ISA proběhlo v říjnu 2000 v Albuquerque, v USA.

Za posledních 15 let do současné doby věda o aerogelech skutečně tvoří samostatný vědecký obor zařaditelný někam na pomezí fyziky pevných látek, chemie a materiálového inženýrství. Na každé další konferenci byly publikovány rekordní dosažené parametry zejména v hustotě (podle jednoho článku je dokonce rekordně nízká hustota aerogelu zaznamenaná v Guinessově knize) ale i v dalších vlastnostech, jsou odkrývány nové metody syntézy a hledána nová složení a zároveň se přichází na nové aplikace. Například poměrně důležitý krok provedl Rick Pekala z LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory), když rozšířil technologii užívanou na přípravu anorganických aerogelů na aerogely z organických polymerů. Získal tak aerogely z čistého uhlíku, což otevřelo zcela novou oblast v jejich výzkumu.

Vlastnosti aerogelů

Jak již bylo uvedeno, jedná se vysoce porézní, velmi křehké, průsvitné materiály. Další charakteristickou vlastností je jejich vysoká tepelná izolační schopnost. Lze u nich pozorovat fotoluminiscenci, dokáží dobře absorbovat kinetickou energii a mají celou řadu mimořádných vlastností. Uveďmě podrobněji nejdůležitější z nich.

Mechanické vlastnosti:

O aerogelech se říká, že mohou udržet tisíckrát větší hmotnost než samy váží. To je na jednu stranu pravda, na druhou stranu je potřeba říci, že jsou velice křehké a podle toho je s nimi potřeba zacházet. Jde přeci jen o jinou formu skla a se sklem je třeba, jak každý ví, zacházet opatrně. Jemný prach vznikající při přelomení nebo rozdrcení je hladký a kulovitý a nevzniká proto takové nebezpečí jako například u azbestu, nicméně je dobré se při práci s aerogely vhodně chránit.

Aerogely udrží až 1 000 krát větší hmotnost než je jejich vlastní (snímek NASA).

Jedna ze zajímavých vlastností aerogelů je jejich schopnost dobře absorbovat kinetickou energii. Zdálo by se, že vzhledem ke křehkosti aerogelu se jako absorbér energie příliš nehodí. Obzvláště pokud víme, že k tomuto účelu se používají nejrůznější pěnové materiály jako polystyrén, polyuretan a další. Avšak vzhledem k tomu, že aerogely mají velice nízkou hustotu, ke stlačování pevné síťové struktury dochází postupně a energie nárazu se pohlcuje delší čas. Navíc křemíkové aerogely mají strukturu s otevřenými póry a při deformaci uniká vzduch zevnitř porézní strukturou ven. Třecí síla působící na unikající vzduch je nepřímo úměrná průřezu pórů. Protože velikost pórů je v případě křemíkových aerogelů řádově desítky nanometrů, může materiál absorbovat při průchodu vzduchu značné množství energie. Další mechanické vlastnosti číselně:

Tepelné vlastnosti:

Jedna ze skutečně mimořádných vlastností aerogelů je jejich velmi nízká tepelná vodivost. Již Kistler zjistil, že v některých případech tepelná vodivost dokonce klesá pod hodnotu odpovídající vakuu (jedná se o celkovou, experimentálně zjišťovanou vodivost, zahrnující součet vedení tepla pevnou a plynnou složkou a také přenos tepla radiací). Přitom ale samy vydrží obrovský rozsah teplot, od jednotek stupňů nad absolutní nulou až po teploty přes tisíc stupňů. Aerogely jsou tak zajímavou alternativou k tradičním izolačním materiálům a to, co zatím brání jejich masovému rozšíření, jsou jejich vyšší výrobní náklady. To však nemusí být vždy ta podstatná překážka. Okenní tabule vyrobená z aerogelu by stála sice třikrát více než tabule z obyčejného skla, cena skleněné tabule však obvykle představuje jen asi 10% celkové ceny okna. Zato bude aerogelové okno při stejné tloušťce izolovat teplo 32 krát lépe, než kdyby bylo použito obyčejné sklo. Použití místo okenních tabulí brání také zatím jejich ne zcela dokonalá transparentnost. Proto se jejich výroba zkouší v podmínkách beztížného stavu, kdy by se mělo podařit vyrobit vzorky s větší homohgenitou a tím i s lepší transparentností. Typická tepelná vodivost křemíkových aerogelů je asi 0,017 W/mK, což je hodnota asi 40× nižší než u skelných vláken. Při speciálních požadavcích lze celkovou tepelnou vodivost různými metodami ještě snížit. Jedna z možností, jak zmenšit tepelný tok přenášený plynem je snížit tlak. Ukazuje se, že rozumná hodnota tlaku je kolem 5 kPa, při dalším snižování tlaku již tepelná vodivost výrazně neklesá. Při vyšších teplotách zase dominuje radiační složka, jíž lze zmenšit přidáním uhlíku jako pohlcovače infračerveného záření. Další tepelné vlastnosti číselně:

Ilustrace tepelné odolnosti aerogelů a izolační schopnosti.
(snímek NASA)

Optické vlastnosti:

Nejcharakterističtější optickou vlastností aerogelů je jejich průsvitnost. Nejsou však průsvitné zcela. Pozorujeme-li křemíkový aerogel, jímž prochází světlo, proti tmavému pozadí, jeví se mírně namodralý kdežto prošlé světlo se spojitým spektrem nepatrně zčervená. Je to důsledek Rayleighova rozptylu, což je stejný optický mechanismus, díky němuž pozorujeme modrou oblohu a červené slunce při západu. Křemíkové aerogely jsou ideálním materiálem pro aktivní i pasivní prvky optických senzorů. Vědecký tým v národní laboratoři v Berkeley totiž objevil proces způsobující v aerogelech trvalou fotoluminiscenci a navíc skutečnost, že míru fotoluminiscence lze ovlivňovat koncentrací plynného kyslíku v aerogelu.

Křemíkový aerogel při prosvícení světlem se spojitým spekterm
(snímek z Berkeley National Laboratory).

Fyzikálně-chemické vlastnosti:

Primární částice, z níchž je křemíkový aerogel složen, mají velmi malou velikost, 2 až 5 nm. Důsledkem je mimořádně velký poměr povrchu k objemu, přibližně 2×10⁹ m⁻¹, čemuž odpovídá specifický povrch zhruba 900 m²/g. Fyzika vnitřního povrchu aerogelu tak má dominantní roli pro určení jeho vlastností. Aerogel se tak stává atraktivním materiálem pro použití jako katalyzátor nebo absorbent. S použitím vhodných aditiv při jeho výrobě je možné připravit aerogel jak hydrofilní tak hydrofobní a ovlivnit řadu dalších jeho vlastností.

Aplikace aerogelů

Z nejdůležitějších aplikací aerogelů připadají v úvahu následující:

Použití aerogelů se prosadilo převážně pro speciální účely ve vědě, v kosmické technice a podobně, pro běžné použití se zatím nerozšířily kvůli vysoké ceně a komplikované výrobě, jejich čas však pravděodobně teprve přijde a bude záležet na tom, jak rychle a jakým způsobem se bude vyvíjet technologie jejich výroby. Všiměme si nyní blíže jedné zajímavé aplikace aerogelů, kdy jsou používány jako materiál schopný bezpečně posbírat kosmický prach a uchovat ho pro pozdější analýzu.

Použití aerogelů pro sběr kosmického prachu

Jde o jednu z nejdůležitějších aplikací křemíkových aerogelů v poslední době, při níž se využívá již zmíněné schopnosti tohoto materiálu velmi účinně absorbovat energii. Bez aerogelů by totiž byl problém, jak zpomalit prachové částice o velikosti řádově mikrometry z rychlostí několik kilometrů za sekundu, aniž by se poškodila nárazem a zahřátím jejich fyzikální a chemická struktura. Zachycením v aerogelu se prachová částice zpomalí na relativně dlouhé dráze, tak, aby se nezahřála nad nežádoucí teplotu. Dráhy částic jsou navíc díky průhlednosti aerogelů dobře viditelné a lze je analyzovat například stereomikroskopem. Zrnko kosmického prachu vytvoří v aerogelu stopu mrkvového tvaru.

V současné době se pohybuje na oběžné dráze kolem Slunce sonda Stardust. Odstartovala na svou sedmiletou misi v roce 1999, její návrat je naplánován na 15.1.2006. Je určena pro sběr kometárního a mezihvězdného prachu. Mezihvězdný prach byl objeven v Německu vyrobeným prachovým dalekohledem na sondě Odysseus v roce 1993 a tento objev byl později potvrzen sondou Galileo. Stardust tedy bude sbírat prach, který se dostává do Sluneční soustavy z velmi dalekého mezihvězdného prostoru a vědci doufají, že sonda tak prostřednictvím nasbíraného prachu přinese přímé informace o prvcích vzniklých v jiných hvězdách. Další úkol, jež má sonda Stardust provést, je proletět ohonem komety Wild 2 a nasbírat vzorky kometárního prachu. Relativní rychlost sondy Startdust a komety Wild 2 bude zhruba 6x větší, než je rychlost kulky z pušky a sonda bude sbírat prach několik hodin.

Představa, jak by mohla vypadat Sonda Stardust právě při sběru kometárního prachu (obrázek NASA).

Na sondě Stardust budou rovněž použita zařízení pro analýzu toku prachových částic v reálném čase, DFMI (Dust Flux Monitor Instrument) a CIDA (Cometary and Interstellar Dust Analyzer). Startdust není první sonda, na které byl použit aerogel. Byl použit již na předchozích misích Shuttle, Spacelab II, Eureca a Pathfinder. U Pathfinderu byl aerogel použit k tepelné izolaci. V noci teplota na povrchu Marsu může klesnou na −100°C a účinná izolace tak zabrání teplotnímu šoku, který by mohl poškodit elektroniku uvnitř.

Další výzkum aerogelů a vize do budoucnosti

Aerogely jsou stále více zkoumány a přichází se na jejich další možná použití. Budeme je patrně jednou používat jako univerzální izolátor proti únikům energie - aerogel totiž velmi dobře brání toku energie jak ve formě tepelné, elektrické i akustické. Jeden vědecký pracovník NASA dokonce prohlásil, že brzy bude aerogel běžný materiál kolem nás a že bude tak známý a používaný, jako dnes plasty. Další možnosti nových aplikací se naskýtají v oblasti optických součástek. Aerogely ale mohou posunout rovněž základní fyzikální výzkum. Například uveďme, že hned na čtyřech univerzitách současně se zkoumají velmi zajímavé vlastností supratekutého hélia uvnitř aerogelu. Závěrem lze rozhodně říci, že aerogely nás v mnohém ještě překvapí, řada očekávání se postupně začíná naplňovat a zcela určitě jde o nadějný materiál budoucnosti.

Odkazy