אירוג'ל

אֵירוֹגֵ'ל (Aerogel) הוא חומר מלאכותי מוצק, בעל צפיפות החומר המרחבית הנמוכה ביותר הידועה. בזכות מבנהו המיקרוסקופי, לחומר מספר תכונות ייחודיות כגון יכולת בידוד גבוהה ושטח פנים גדול. האירוג'ל יוצר לראשונה בשנת 1931 על ידי הכימאי סטיבן קיסטלר (Steven Kistler) על בסיס סיליקה ג'ל. כיום הוא זוכה למגוון שימושים בתחומים שונים, ביניהם תעשיות קוסמטיקה וצבעים, תעשייה כימית ואף חקר החלל.

פיסת אירוג'ל שמשקלה כ-2 גרם תומכת בלבנה במשקל 2.5 ק"ג, וגורמת לה להראות כמרחפת.

תהליך היבוש: ירוק-אידוי רגיל. כחול-יבוש בהקפאה. אדום –יבוש סופר-קריטי.

עקרונות

אירוג'ל נוצר כאשר נוזל המהווה חלק ממרכיבי ג'ל, מוחלף בגז. כתוצאה מכך נוצר חומר מוצק בעל צפיפות נמוכה ביותר ובעל כושר בידוד תרמי מעולה. אירוג'ל מכונה לעיתים "עשן קפוא" או "אוויר מוצק", והתחושה בנגיעה בו דומה לתחושת נגיעה בקצף מוצק.

החומר נוצר באמצעות מיצוי המרכיב הנוזלי של ג'ל בתהליך הנקרא "יבוש סופר-קריטי". בתהליך זה, המתבצע מעבר לנקודה הקריטית של הנוזל, נמנע המעבר ממצב הצבירה הנוזלי למצב הצבירה הגזי המתקיים בתהליך יבוש רגיל. התהליך מאפשר הוצאת המרכיב הנוזלי של הג'ל מבלי למוטט את המבנה המרחבי של המרכיב המוצק שלו, כפי שעלול לקרות בתהליך של אידוי.

האירוג'ל הראשון נוצר מסיליקה ג'ל ומאוחר יותר גם מג'לים המבוססים על אלומיניום, בדיל, ופחמן.

הניסוח הכימי של תהליך יצירת החומר

$\mathrm {Na_{2}SiO_{3}+2\ HCl\longrightarrow 2\ NaCl+H_{2}SiO_{3}}$

$\mathrm {H_{2}SiO_{3}\longrightarrow H_{2}O+SiO_{2}}$

או:

$\mathrm {Na_{2}H_{2}SiO_{4}+2\ HCl\longrightarrow 2\ NaCl+H_{4}SiO_{4}}$

$\mathrm {H_{4}SiO_{4}\longrightarrow 2\ H_{2}O+SiO_{2}}$

מאפיינים

אירוג'ל כחומר מבודד. פרח המונח מעל שכבת אירוג'ל דקה, אינו מושפע ממבער המונח תחתיו.

פיטר טסו מ-JPL שבנאס"א מחזיק דגימת אירוג'ל.

כושר הבידוד המעולה של אירוג'ל נובע מן העובדה כי לא מתקיים בו אף אחד משלושת המאפיינים הדרושים לצורך העברת החום: הסעה, הולכה וקרינה. רובו של החומר הוא גז הידוע כמוליך גרוע של חום. אירוג'ל על בסיס סיליקון מצטיין בבידוד שכן גם הסיליקון עצמו הוא מוליך גרוע של חום. אירוג'ל על בסיס פחמן יוצר בידוד בזכות יכולת הספיגה של הפחמן את הקרינה האינפרה אדומה הנובעת מחום. בנוסף לכך, מבנה הסריג של החומר מונע מן האוויר שבתוכו את יכולת התנועה והעברת החום (הסעה).

אירוג'ל הוא חומר היגרוסקופי ופועל גם כסופח לחות. כאשר החומר סופח לחות עלולים לחול במבנה הסריג שינויים שיגרמו לאובדן תכונות הבידוד שלו. לכן, נהוג להשתמש באמצעים כימיים על מנת להקנות לאירוג'ל תכונות הידרופוביות (דוחה לחות).

צבעו של האירוג'ל נראה כחול, משום שהגז הכלוא בתוכו מפזר גלי אור קצרים בצורה יעילה, בדומה לתהליך שיוצר את הצבע הכחול בשמיים.

שימושים

• כחומר מבודד מפני חום ובעל כושר חדירות לאור - ציפוי חלונות.
• כחומר ניקוי סופח של חומרים כימיים - כפועל יוצא של שטח הפנים הגדול שלו.
• כחומר נושא לזרזים שונים בתהליכים כימיים.
• כחומר עיבוי בתערובת צבעים ובתעשיית הקוסמטיקה.
• כחומר מילוי בשמיכות ובמוצרים הדורשים בידוד טמפרטורות מן הסביבה כגון חליפות צלילה וחליפות חלל.
• בנאס"א ובתעשיית החלל בכלל, משתמשים באירוג'ל לתפיסת חלקיקים בחלל החיצון לצורכי מחקר.

קישורים חיצוניים

• הכל על אירוג'ל (באנגלית)
• שאלות ותשובות בנושא אירוג'ל באתר נאס"א (באנגלית)
• מהו האירוג'ל - החומר הקל ביותר בעולם?, באתר אנציקלופדיה אאוריקה
• World's Lightest Solid!, סרטון באתר יוטיוב (אורך: 12:01)