هلام هوائي

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

الهلام الهوائي أو "إيروجل Aerogel" وهي مادة هلامية منخفضة الكثافة تم فيها إستبدال المحتوى السائل للمادة بالغاز. وكانت النتيجة نشوء مادة ذات كثافة منخفضة جدا ذات خواص متعددة ، من أهم تلك الخصائص قدرتها الكبيرة على العزل الحراري. ويطلق عليها أيضا إسم الدخان المجمد ,[1] و الدخان السائل وذلك لطبيعتها الشبه شفافة ، ولها ملمس يشبه الرغوة.

التاريخ[عدل]

تم إكتشاف المادة لأول مرة عن طريق ستيفن كستلر عام 1931 ، بعد رهان مع تشارلز ليرند حول إمكانية إستبدال المحتوى السائل في إناء من الفواكه المحفوظة ، بالغاز دون حدون إنكماش. .[2][3]

الأنواع[عدل]

وبالرغم من أن اسمها ، ايروجيل فهي جامدة ،وهى مادة جافة ولا تشبه الجيل في خصائصها الفيزيائية ، والاسم يأتي من حقيقة أنها مستمدة من المواد الهلامية. الضغط بهدوء على ايروجيل عادة لا يترك أثرا ، وعندما تضغط بقوة أكبر سوف يترك أثر الضغط ظاهرا. ويكفي الضغط بقوة كي يؤدي ذلك إلى انهيار كارثي في بنية المادة الهلامية ، الأمر الذي يؤدي إلى تحطيمه مثل خاصية الزجاج المعروف باسم تفتيت وبالرغم من أن الأنواع الحديثة لاتعاني من تلك الظاهرة .[بحاجة لمصدر] بالرغم من الحقيقة القائلة إنه عرضة للتحطم، إنها قوية جدا هيكليا. الحاملة لها قدرات رائعة ويرجع ذلك إلى بنيتها الحاملة القوية و يعبر عنها بالهيكل الميكروي ذو التغصنات (معدنية) والذي فيه جزئيات كروية بحجم متوسط 2–5 نانومترا ،حيث تنصهر معا في مجموعات.

هذه المجموعات تشكل بنية ثلاثية الأبعاد مساميته العالية من السلاسل الفركتلية تقريبا ، مع مسام أقل بقليل من 100 نانومتر. فإن متوسط الحجم والكثافة المسامية يمكن السيطرة عليها أثناء عملية التصنيع.

ايروجيل هي عوازل حرارية جيدة لأنها تقوم بإلغاء ثلاث من النواقل الحرارية (تيارات الحمل، التوصيل، و الإشعاع).

تلك العوازل موصلة جيدة لأنها تتألف بشكل كامل تقريبا من الغاز, والغازات هى موصلات سيئة للحرارة.

  • الايروجيل السيليكا جيد خاصة بسبب السيليكا التي هي أيضا موصل سيىء للحرارة.والايروجيل المعدني ، من ناحية أخرى ، سيكون أقل فعالية. وهما مثبطات جيدة للحمل الحراري لأن الهواء لا يمكن تعميمها من خلال القنوات الشعرية. ايروجيل الكربون هو عازل إشعاعي جيد بسبب أن الكربون يمتص الإشعاعات تحت الحمراء التي تساعد على التوصيل الحراري عند درجات الحرارة الإعتيادية.

وبسبب طبيعته الاسترطابيية، فإن ايروجيل يبدو جافا ويعد مادة مجففة قوية. وينبغي للأشخاص الذين يتعاملون مع هذه المادة لفترات طويلة ارتداء القفازات لمنع ظهور بقع جافة هشة على الجلد.

إيروجل السيليكا[عدل]

إيروجل السيليكا هي أكثر الأنواع الشائعة من الهلام الهوائي وأكثرها دراسة واستخدما. وهي مادة تعتمد في أساسها على السيليكا وتحضر من هلام السيليكا. وفي 18 نوفمبر 2011، أعلنت كأخف مادة في العالم، حيث تبلغ كثافتها 0.9 مليغرام لكل سنتيمتر مكعب. [4]

الإستعمالات[عدل]

  • على النطاق التجاري يستخدم الإيروجل كمادة عازلة للنوافذ.
  • الأيروجيل السيليكا الشفاف يكون مناسبا جدا كمادة عازلة حرارية للنوافذ ، وتحد من الخسائر بشكل كبير للحرارة في المباني. وبعد عدة جولات في Vomit Comet، قد أظهرت إحدى البحوث [1] الفريق أن إنتاج ايروجيل في بيئة إنعدام الوزن يمكن أن تنتج جزيئات بحجم أكثر اتساقا وتحد من تأثير Rayleigh scattering في ايروجيل السيليكا ، مما يجعل الأيروجيل أقل زرقة وأكثر شفافية.
  • مساحة سطحها المرتفع تؤدي إلى العديد من التطبيقات ، مثل امتصاص المواد الكيميائية لتنظيف الانسكابات وهذه الميزة تعطي أيضا امكانية كبيرة لتكون حافزا أو عاملا محفز.
  • جزيئات الأيروجيل تستخدم أيضا كعامل مادة مثخنة في بعض الدهانات و مستحضرات التجميل .
  • ويجري حاليا اختبار الأيروجيل للاستخدام في أهداف مرافق الإشعال اليدوية.
  • ويمكن زيادة أداء الأيروجيل لتطبيقات معينة عن طريق إضافة الشوائب ، لتعزيز الهياكل وتخليق المركبات الهجين . وباستخدام هذا النهج ، فسوف تتسع التطبيقات لتلك الفئة من المواد زيادة كبيرة.
  • وقد بدأ الإنتاج التجاري من 'بطانيات' الأيروجيل في حوالي العام 2000. بطانيات الأيروجيل هي مواد مركبة من ايروجيل السيليكا وتعزز بمادة ليفية التي تحول الأيروجيل الهش في المادة ،إلى مادة دائمة المرونة. قد تكون لها خواص ميكانيكية وحرارية متنوعة للمنتج بناء على اختيار الألياف المعززة، إن مصفوفة ايروجيل ، والمواد المضافة المدرجة في المركب.
  • مركب ناسا يستخدم الأيروجيل لإصطياد جزيئات الغبار الفضائى خارج على متن المركبة الفضائية ستاردست. الجسيمات تتبخر على إثر إصطدامها مع المواد الصلبة و تمر خلال الغازات ، ولكن يمكن محاصرتها و إصطيادها في الأيروجيل. ناسا تستخدم أيضا الايروجيل في العزل الحراري في مركبة المريخ مارس روفر و السترات الفضائية

.[5][6]

يتم تحديد مدى ملاءمة الأيروجيل بتدني مؤشر الانكسار، وملء الفجوة بين الغازات والسوائل ، والشفافية ، والحالة الصلبة ، مما يجعلها أسهل استخداما من السوائل المبردة أو الغازات المضغوطة. كتلتها المنخفضة أيضا من الأشياءالمفيد للبعثات الفضائية.

  • أيروجيل الفورمالديهايد و ريسورسينول (البوليمرات المتماثلة كيميائيا لراتنجات الفينول فورمالدهايد) تستخدم في الغالب كمقدمات أو مؤشرات لتصنيع أيروچيل الكربون، أو عندما يكون عازل عضوي ذو سطح متسع مرغوبا. حيث أنها تأتي كمادة عالية الكثافة , بمساحة السطح تساوي تقريبا600 م²/جرام.
  • يمكن إعداد المركبات النانوية للأيروجيل المعدني بواسطة تشريب الهيدروجيل مع محلول يحتوي على ايونات من المعادن النبيلة المناسبةأ و المعادن الانتقالية يتم حينئذ تطبيق أشعة جاما فوق الهيدروجيل المشرب، مما يؤدي إلى ترسب الجسيمات النانوية من المعدن. حيث يمكن استخدام هذه المركبات النانوية على سبيل المثال كعوامل محفزة، وأجهزة الاستشعار، و كدروع كهرومغناطيسية، والتخلص من النفايات. والاستخدام المحتمل لمحفزات البلاتين على اساس الكربون في خلايا الوقود .
  • ويمكن استخدام الأيروجيل كنظام التسليم للأدوية نظرا للتوافق الحيوى. بسبب مساحتها العالية وبنيتها المسامية ، يمكن إمتصاص العقاقير من CO2 فوق الحرج. ويمكن تكييف معدل إفراز العقاقير استنادا إلى خصائص الأيروجيل.[8][9]
  • الأيروجيل الكربوني يستعمل في تشييد طبقة صغيرة مزدوجة الكهروكيميائية من المكثفات الفائقة. نظرا لمساحة الأيروجيل الكبيرة فيمكن لهذه المكثفات أن تكون من 2000 حتي 5000 مرة أصغر من التصنيف المماثل للمكثفات الكهربائية.[10] ويمكن لمكثفات الأيروجيل الفائقة حيث أن لها مقاومة منخفضة جدا بالمقارنة مع المكثفات الفائقة الطبيعية ويمكن أن تمتص أو تنتج تيارات ذروة عالية جدا.
  • شركة دنلوب أدرجت مؤخرا الأيروجيل في قالب من سلسلة جديدة من مضارب التنس ، و قد استخدمت سابقا في الاسكواش والراكيت.[11]
  • شالكوجيل أظهر تقدما في إمتصاص الملوثات المعدنية من أمثال الزئبق والرصاص والكادميوم من الماء .[12]
  • يستخدم الأيروجيل لإدخال اضطراب في الهيليوم الفائق؛ هيليوم-3.

.[13]

الإنتاج[عدل]

تعتبر عمليات الاستخراج السريعة الفوق حرجة من أهم العمليات لإنتاج الهلام الهوائي (الأيروجيل، كعملية (التجفيف فوق الحرج) عن طريق زيادة درجة حرارة وضغط المائع للحصول على مائع في حالة فوق حرجة ثم بخفض الضغط ، يتم بشكل آني (فوري) بتحويل السائل المكون للبنية الهلامية إلى الحالة الغازية ومن ثمة استخراجه بشكل فوري من الهلام الهوائي (الأيروجيل) لضمان عدم انهيار هيكل الشبكة الثلاثية الأبعاد الهشة المكونة لحجم الهلام (الجيل)، بينما يمكن القيام بعملية التجفيف الحرج مع (الإيثانول) –السائل المكون للهلام مع المادة الصلبة- عند ضغط ودرجة حرارة عالية ، قد تؤدي هذه العلملية إلى ظروف تصنيع خطيرة، تعتبر طريقة (تبادل المذيبات) أكثر أمنا عند ضغوط ودرجات حرارة أقل منها في عملية (التجفيف فوق الحرج) وذلك عن طريق استبادل الإيثانول بسائل (الأسيتون) والوصول إلى أفضل امتزاج تدريجي للهلام ومن ثم إضافته إلى ثاني أكسيد الكربون المسال ثم رفع ثاني أكسيد الكربون إلى الحالة (فوق الحرجة)، كما تعتبر عمليه (الحقن المباشر فوق الحرج) كبديل أفضل من (التجفيف فوق الحرج) بحيث يتم حقن ثاني أكسيد الكربون (فوق الحرج) في وعاء ضغط يحتوي على الهلام، تنتهي العملية بازاحة السائل المكون للهلام وإزالته بالكامل واستبداله بالغاز دون السماح لهيكل الهلام بالانهيار أو فقدان الحجم. [14]

انظر أيضا[عدل]

وصلات خارجية[عدل]

المصادر[عدل]

  1. ^ Taher، Abul (2007-08-19). "Scientists hail ‘frozen smoke’ as material that will change world" (Web). News Article. Times Online. اطلع عليه بتاريخ 2007-08-22. 
  2. ^ Kistler S. S. (1931). "Coherent expanded aerogels and jellies". Nature 127 (3211): 741. 
  3. ^ Kistler S. S. (1932). "Coherent Expanded-Aerogels". Journal of Physical Chemistry 36 (1): 52–64. doi:10.1021/j150331a003. 
  4. ^ مهندسون أمريكيون يكشفون عن "أخف مادة في العالم"، بي بي سي العربية
  5. ^ Preventing heat escape through insulation called "aerogel", NASA CPL
  6. ^ Down-to-Earth Uses for Space Materials, The Aerospace Corporation
  7. ^ Nuckols، M. L.؛ Chao J. C. and Swiergosz M. J. (2005). "Manned Evaluation of a Prototype Composite Cold Water Diving Garment Using Liquids and Superinsulation Aerogel Materials". US Naval Experimental Diving Unit Technical Report. NEDU-05-02. اطلع عليه بتاريخ 2008-04-21. 
  8. ^ Smirnova I., Suttiruengwong S., Arlt W. (2004). "Feasibility study of hydrophilic and hydrophobic silica aerogels as drug delivery systems". Journal of Non-Crystalline Solids 350: 54–60. doi:10.1016/j.jnoncrysol.2004.06.031. 
  9. ^ From the Research group Pharmaceutical Thermodynamics of Friedrich - Alexander - University Erlangen - Nuremberg
  10. ^ Aerogel Capacitors Support Pulse, Hold-Up, and Main Power Applications
  11. ^ Dunlop Squash Racquets
  12. ^ Carmichael, Mary. First Prize for Weird: A bizarre substance, like 'frozen smoke,' may clean up rivers, run cell phones and power spaceships. Newsweek International, 2007-08-13. Retrieved on 2007-08-05.
  13. ^ Halperin, W. P. and Sauls, J. A., Helium-Three in Aerogel cond-mat/0408593v1.
  14. ^ الباحثون السوريون ــ مصدر المعلومات