Aerogel วัสดุของแข็งที่เบาและเป็นฉนวนที่ดีที่สุดในโลก


Aerogel วัสดุของแข็งที่เบาและเป็นฉนวนที่ดีที่สุดในโลก

แอโรเจล (Aerogel) ได้รับการบันทึกใน Guinness Book ว่าเป็นวัสดุของแข็งที่เบาและเป็นฉนวนที่ดีที่สุดในโลก เนื่องจากแอโรเจล ประกอบด้วยอากาศ ถึง 90 – 99.8 % มีความหนาแน่น 3 – 150 mg/cm3 สามารถรับน้ำหนักได้ 500 – 4,000 เท่าของน้ำหนักตัวโดยไม่เกิดความเสียหาย แอโรเจลมีลักษณะเป็นฟองน้ำเนื้อแข็ง อาจจะเรียกในชื่อ frozen smoke, solid smoke หรือ blue smoke มีสมบัติค่อนข้างโปร่งแสง แต่ไม่โปร่งใส

ประวัติ ความเป็นมาของแอโรเจล
แอโรเจลได้ถูกค้นพบครั้งแรก โดย Steven S. Kistler แห่ง College of the Pacific in Stockton แคลิฟอเนีย โดย Kistler ได้พยายามที่จะพิสูจน์ว่า “เจล” ประกอบด้วยโครงสร้างของแข็งที่มีขนาดและรูปร่างเหมือนกับเจลเปียก ( wet gel) โดยรับการท้าพนันจากเพื่อนคู่หู Charles ว่า ถ้าหากใครสามารถแทนที่ของเหลวในเจลด้วยก๊าซโดยที่เจลไม่เกิดการเสียรูปจะเป็นผู้ชนะ ซึ่ง Kistler ทำได้สำเร็จ และตีพิมพ์ผลงานวิจัยนี้ในวารสาร Journal nature ปี 1931 และมีสิทธิบัตรของแอโรเจลตามมาอีกหลายฉบับ

แอโรเจลทำได้อย่างไร
แอโรเจลทำได้โดยใช้แอลกอฮอล์ เช่น เอธานอล ผสมกับ ซิลิกา จะได้ซิลิกาในรูปเจล จากนั้นจึงนำไปผ่านกระบวนการแห้งตัวภายใต้เงื่อนไขวิกฤต (Supercritical drying) ซึ่งมีอุณหภูมิและความดันสูงมาก ของเหลวภายในเจลจะถูกกำจัดออกไป โดยเจลไม่เสียรูปและขนาด

ภาพแสดงดอกไม้บนแอโรเจลซึ่งเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดีที่สุด
ความร้อนจากเปลวไฟจึงไม่สามารถผ่านไปยังดอกไม้ได้

แอโรเจลเป็นฉนวนความร้อนที่ดีที่สุดในโลก
การถ่ายเทความร้อนโดยทั่วไป แบ่งได้ 3 ประเภท คือ การพาความร้อน (convection), การนำความร้อน (conduction) และ การแผ่รังสีความร้อน (radiation) แอโรเจลจัดว่าเป็นฉนวนความร้อนที่ดีที่สุดในโลก เนื่องจากสามารถเป็นฉนวนการถ่ายเทความร้อนทั้ง 3 รูปแบบ แอโรเจลเป็นฉนวนการพาความร้อนเนื่องจาก ภายในโครงสร้างของแอโรเจลเป็นอากาศที่ไม่สามารถแพร่ผ่านออกไปภายนอกได้ ตัวอย่างของแอโรเจลที่ใช้งานทั่วไป ได้แก่ ซิลิกาแอโรเจล (Silica aerogels) และ คาร์บอนแอโรเจล (Carbon aerogels)

ซิลิกาแอโรเจล (Silica aerogels)
ซิลิกาแอโรเจลเป็น แอโรเจลที่รู้จักกันโดยทั่วไป และได้รับการศึกษาและประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวาง โดยมีซิลิกาเป็นองค์ประกอบพื้นฐาน ของแข็งที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดในโลก คือ ซิลิกาแอโรเจล โดยล่าสุด Lawrence Livermore National laboratory ได้ผลิตซิลิกาแอโรเจลที่มีความหนาแน่นเพียง 1.9 mg/cm3 หรือประมาณ 1/530 เท่าของน้ำ และมีค่าการนำความร้อน (thermal conductivity) เพียง 0.003 W/ (m.K) ซึ่งมีสมบัติการเป็นฉนวนที่ดีมาก

คาร์บอนแอโรเจล (Carbon aerogels)
คาร์บอนแอโรเจลเป็นตัวนำไฟฟ้า ประกอบด้วยอนุภาคระดับนาโนเมตรที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ (covalent bond) มีสมบัติความเป็นรูพรุนสูงกว่า 50 % ขนาดของรูพรุนเล็กกว่า 100 นาโนเมตร พื้นที่ผิวมีค่าระหว่าง 400 – 1000 m2/g ด้วยสมบัติของการมีพื้นที่ผิวสูงจึงได้นำไปใช้เป็นส่วนประกอบของ supercapacitor ที่ให้ค่าสูงในหลักพันฟารัด (farad) เนื่องจากคาร์บอนแอโรเจลมีสีดำ มีค่า reflecting เพียง 0.3 % (ของรังสีระหว่าง 250 นาโนเมตร ถึง 14.3 ไมโครเมตร ) จึงสามารถใช้เป็นตัวกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ได้ และหากใช้ท่อคาร์บอนนาโนแทนการใช้แกรไฟต์จะสามารถช่วยเพิ่มสมบัติความยืดหยุ่นได้

ภาพแสดงแอโรเจลที่เตรียมจากสารที่มีองค์ประกอบแตกต่างกัน แอโรเจลสีฟ้าเตรียมจากนิเกิล,
แอโรเจลสีเขียวอ่อนเตรียมจากทองแดง, แอโรเจลสีดำเตรียมจากคาร์บอนและเหล็ก,
แอโรเจลสีส้มเตรียมจากเหล็กออกไซด์ และแอโรเจลที่เหลือเตรียมจากสารอินทรีย์
แอรโรเจลทั้ง 2 ชนิดเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดี เนื่องจากซิลิกาเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี ส่วนคาร์บอนแอโรเจลเป็นฉนวนกันความร้อนที่มาจากการแผ่รังสีที่ดี เพราะคาร์บอนสามารถดูดซับรังสีอินฟาเรดที่เกิดจากการถ่ายเทความร้อนได้ ดังนั้น ฉนวนกันความร้อนที่ดีที่สุด จึงได้จากซิลิกาเจลผสมด้วยคาร์บอน
การนำไปใช้งาน
แอโรเจลได้ถูกนำไปใช้งานในหลากหลายรูปแบบ เช่น ซิลิกาแอโรเจลที่โปร่งแสงสามารถประยุกต์ใช้เป็นฉนวนกันความร้อนของหน้าต่าง และ เนื่องจากแอโรเจลมีพื้นที่ผิวสูงจึงถูกนำไปใช้เป็นตัวเร่งปฏิกริยา ในทางปฏิบัติสามารถเพิ่มสมบัติของแอโรเจลได้โดยเติมสารผสมในกระบวนการทำแอโรเจล เช่น การเติมเส้นใยเสริมแรงลงในแอโรเจล เพื่อปรับปรุงสมบัติเดิมของแอโรเจลที่เปราะให้มีความยืดหยุ่นเพิ่มขึ้น

ตัวอย่างอุปกรณ์ดักจับฝุ่นของ Stardust ที่ประกอบไปด้วยก้อนแอโรเจลในช่องสี่เหลี่ยม (NASA)

ลักษณะการฝังตัวของอนุภาคในแอโรเจล โดยอนุภาคเคลื่อนเข้าทางด้านซ้ายด้วยความเร็วในการเคลื่อนที่สูงกว่าปืนไรเฟิลถึง 6 เท่า์

องค์การนาซ่า ได้ใช้แอโรเจลในการดักจับฝุ่นในอวกาศ โดยยานอวกาศชื่อ stardust ซึ่งมีหน้าที่เก็บฝุ่น ได้ถูกปล่อยเมื่อปี 1999 เพื่อโคจรไปเจอกับดาวหาง Wild 2 ในปี 2004 และจะนำชิ้นส่วนสะเก็ดดาวหางและอนุภาคฝุ่นกลับมายังโลกในปี 2006 ขณะที่ยาน Stardust
เดินทางผ่านดาวหาง Wild2 ความเร็วของอนุภาคดาวหาง ณ บริเวณนั้นมีค่ามากถึง 6 เท่าของความเร็วลูกกระสุนปืนไรเฟิลเลยทีเดียว แม้ว่าอนุภาคฝุ่นจะมีขนาดเล็กก็ตาม แต่ด้วยความเร็วสูงก็อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและส่วนประกอบทางเคมีได้ ยานstardust จึงใช้ แอโรเจลที่มีพื้นที่ 1,000 ตารางเซนติเมตร และหนา 3 เซนติเมตร ติดตั้งบนยาน เมื่อฝุ่นดาวหางปะทะแอโรเจลด้วยโมเมนตัมสูง แอโรเจลจะรับภาระแรงพุ่งชนโดยเกิดเป็นรูปทรงกรวยคล้ายแครอทซึ่งมีความยาวมากกว่าเดิม 200 เท่าและค่อยๆลดความเร็วให้อนุภาคหยุดวิ่ง จะทำให้สามารถฝังในเนื้อของแอโรเจลได้ลึก แอโรเจลที่ใช้ในยาน stardust เป็นซิลิกาแอโรเจล มีโครงสร้างเป็นรูพรุน มีค่าความพรุนประมาณ 98 % โดยปริมาตร ผลิตโดย JPL หรือ Jet Propulsion Laboratory ได้รับการควบคุมคุมคุณภาพและความบริสุทธิ์ไว้อย่างดี ทำให้แอโรเจลที่ได้มีความหนาแน่นเกือบเท่ากับอากาศ มีความแข็งแรงและทนทานในอวกาศ
เอกสารอ้างอิง
http://en.wikipedia.org/wiki/aerogel
http://eande.lbl.gov/ECS/Aerogels/satoc.htm
http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/aerogel-insulation.html
http://www.tonyboon.co.uk/aerogel/aerogel.htm
http://www.menzelphoto.com/gallery/big/fire10.htm


Add a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *