Khám phá Aerogel - loại vật liệu rắn nhẹ nhất trên thế giới

Một trong những cuộc cách mạng làm thay đổi căn bản cuộc sống con người chúng ta là cuộc cách mạng về vật liệu mới. Chúng ta, luôn không ngừng tìm kiếm ra những vật liệu mới, tối ưu hơn, rẻ hơn, bền hơn…và cả nhẹ hơn nữa. Một trong những thành tựu đáng chú ý nhất trong cuộc cách mạng ấy là việc tìm ra vật liệu rắn nhẹ nhất từ trước tới nay: Aerogel.

 

Vậy Aerogel là gì? Nó có đặc tính gì? Có ý nghĩa như thế nào đến cuộc sông của chúng ta? Bài viết sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn tổng thể về loại vật liệu này.

1. Lịch sử tìm ra Aerogel

Sự ra đời của một cái mới, bao giờ cũng mang theo xung quanh nó nhiều điều thú vị. Và Aerogel cũng không phải là ngoại lệ. Sự ra đời của Aerogel bắt nguồn từ một câu chuyện được kể lại vào cuối những năm 1920, khi Samuel Kistler (1900-1975), giáo sư hóa học người mỹ đã đánh cược với đồng nghiệp của mình Charles Learned rằng "có tồn tại một loại gel không lỏng". Tất nhiên, không một ai tin điều ông nói là đúng. Vì đặc tính lỏng vốn là đặc tính cố hữu của gel được biết đến trong một thời gian dài trước đó.

Bằng sự kiên trì và quyết tâm của mình, sau nhiều thử nghiệm và gặp không ít thất bại, cuối cùng Kistler đã tìm ra một loại gel ở trạng thái khí (không phải trạng thái lỏng), một loại gel mới chưa từng được biết đến, thậm chí chưa một ai tưởng tưởng ra nó. Ông đã trở thành người đầu tiên thay thế được trạng thái lỏng của gel thành trạng thái khí, và đặt tên cho nó là "Aerogel". Năm 1931, ông đã công bố phát hiện của mình trong bài viết "Coherent Expanded Aerogels and Jellies", đăng trên tạp chí khoa học Nature.

Ông đã tìm ra Aerogel như thế nào?

 

Aerogel còn được ông gọi là Alcogel, do được chế tạo từ gel silica (SiO2) và ancol. Nói  một cách đơn giản, chỉ cần cho rượu bay hơi khỏi gel silica là chúng ta sẽ tạo ra cấu trúc Aerogel, giống như chúng ta thổi không khí qua một miếng bọt biển thấm nước vậy, nó sẽ bị khô đi. Tuy nhiên, trên thực tế, nếu để tự nhiên sẽ không bao giờ xảy ra được quá trình đó. Thay vì chỉ dựa trên sự bốc hơi, Aerogel được chế tạo qua các công đoạn như sau:

Ban đầu, ông tạo ra trong môi trường gel một nhiệt độ và áp suất đạt đến điểm tới hạn - ở mức mà không có sự khác biệt nhiều giữa chất lỏng và chất khí. Tiếp đến, giữ nguyên mức nhiết độ ở điểm tới hạn, giảm từ từ áp suất. Khi áp suất giảm, các phân tử được giải phóng dưới dạng khí và lỏng với mật độ không quá dày đặc. Bước tiếp theo là làm lạnh. Trước khi làm lạnh, sẽ có một lượng rượu nhỏ được ngưng tụ lại thành chất lỏng, sau đó sẽ được chuyển thành dạng hơi như ban đầu.

 

Những gì còn lại sẽ là một chất rắn bằng silica, nhưng thay vì ở dạng lỏng thì nó lại chứa đầy không khí. Sản phẩm thu được ở bước này có thể gọi là Alcogel. Acogel sau khi bị khử rượu sẽ được gọi là Aerogel (rượu đã bị thay thế bằng khí).

2. Quá trình phát triển của Aerogel.

Kỹ thuật điều chế aerogel của Kistler mặc dù  hiệu quả nhưng lại khá nguy hiểm do phải thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao và lại còn rất tốn kém về mặt thời gian và tiền bạc. Sau 30 năm được đưa vào sản xuất bởi công ty Monsanto, đến cuối thập niên 70, quá trình sản xuất đã phải dừng lại do thiếu nhà đầu tư.

Tuy nhiên, không hẳn mọi thứ đã chấm hết với Aerogel. Chỉ không lâu sau đó các nhà khoa học đã tìm ra một phương pháp sản xuất ít độc hại hơn bằng cách sử dụng hợp chất alkoxide thay vì gel silico, ancol được thay thế bằng CO2. Với tiến bộ này, Aerogel như được hồi sinh trở lại, và tiếp tục vai trò của mình trong các lĩnh vực đời sống.

 

 

Khi quá trình sản xuất trở nên an toàn hơn, Aecogel ngày càng trở nên phổ biến hơn trong các ngành công nghiệp. Các nhà sản xuất silicon, vật liệu xây dựng và các cơ quan không gian đều sử dụng nó. Tính phổ biến của nó chỉ bị cản trở bởi giá cả, mặc dù đã có những bước tiến dài để giảm chi phí sản xuất. Hiện tại, Aerogel có thể được tìm thấy trong các lĩnh vực như: Sản xuất đồ bơi; Quần áo dành cho lính cứu hỏa; Cửa kính; Tên lửa; Sơn; Mỹ phẩm; Vũ khí hạt nhân.....

3. Tính ưu việt của Aerogel.

Với cấu trúc “ khí lẫn rắn” như vậy, Aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế giới mà con người từng biết đến. Nó nhẹ đến mức, có thể đặt được trên một bong hoa. Với thể tích 1 inch khối (khoảng 16,3 ml) có thể dát mỏng và phủ lên toàn bộ một sân bóng đá. Cùng với đặc tính này, có một số điều thú vị về Aerogel (loại silica):

Giữ 15 mục trong sách kỷ lục Guinness cho các thuộc tính vật chất, điển hình là nhẹ nhất, rắn nhất, cách điện tốt nhất và mật độ vật chất thấp nhất.

90% thể tích là không khí.

Nặng hơn không khí 3 lần và nhẹ hơn thủy tinh 1.000 lần.

 

 

Mặc dù rất nhẹ nhưng một vật làm bằng Aerogel có khả năng “cõng” một vật khác có trọng lượng gấp 500 đến 4.000 lần trọng lượng của nó.

 

Nó cũng có khả năng cho không khí xuyên qua, chống cháy và có thể thấm cả dầu lẫn nước. Chưa hết, Aerogel vừa có thể làm dây dẫn điện vừa có thể trở thành một chất cách điện tốt nhất từ trước tới nay khi được pha trộn với một số vật liệu khác.

 

 

Với những khả năng phi thường đó, Aerogel xứng đáng với cái tên “vật liệu tốt nhất hành tinh”. Với ngần ấy tính năng ưu việt, Aerogel  có thể được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực,  cho phép con người làm được những điều chưa từng làm được với các loại vật liệu trước đó.

Tuy nhiên, chi phí sản xuất Aerogel rất lớn, do mỗi lần chỉ sản xuất được một lượng rất nhỏ và điều kiện sản xuất yêu cầu những thiết bị tối tân. Mức giá hiện nay khá đắt, khoảng 100 USD cho mỗi centimet khối, tương đương 23.000 USD mỗi pound (khoảng 453,6 g).

4. Các loại Aerogel

Có ba loại Aerogel phổ biến nhất hiện nay đó là silica, carbon và oxit kim loại, tuy nhiên trong thực tế, silica vẫn thường được sử dụng hơn cả. Aerogel silica có màu xanh da trời, do hiện tượng tán xạ xảy ra khi ánh sáng trắng (hỗn hợp các tia sáng có màu sắc từ đỏ đến tím) chiếu vào bản Aerogel. Những tia sáng có bước sóng ngắn bị tán xạ mạnh hơn so với tia sáng có bước sóng dài. Bởi vì màu xanh và màu tím có bước sóng ngắn nhất (trong phổ ánh sáng nhìn thấy) nên chúng bị tán xạ mạnh nhất. Mặt khác, do mắt người nhạy cảm với các bước sóng màu xanh lam hơn nên chúng ta có cảm giác nghiêng về màu xanh hơn chứ không phải màu tím.

 

Không giống như silica aerogel với biệt danh là khói xanh hay khói lạnh, khói rắn (do hình thù mờ ảo của nó), carbon aerogel có màu đen và khi sờ lên có cảm giác giống như đang sờ lên những hòn than. Chúng có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khả năng dẫn điện tốt. Các tính chất này làm cho aerogels carbon rất hữu ích đối với tụ điện, pin và hệ thống khử muối.

 

Aerogle oxít kim loại làm từ oxít kim loại và sử dụng như là chất xúc tác trong các phản ứng hóa học. Chúng cũng được ứng dụng trong ngành công nghiệp thuốc nổ, sợi nano carbon và thậm chí là để tạo ra từ tính. Aerogel oxit kim loại như sắt hay crom ngoài các tính chất tương tự người anh em silica phổ biến thì chúng còn có một điểm khác, đó là màu sắc rất đẹp. Aerogel crom có màu xanh lá cây hoặc xanh dương rất đậm; Aerogel oxit nhôm, titania, zirconia có màu xanh hoặc trắng; Aerogel oxit sắt có màu đỏ hoặc vàng đục; ngoài ra còn có màu tím hoa oải hương, màu vàng sáng, màu hồng phớt... Mỗi loại oxit kim loại sẽ tạo ra một loại màu khác nhau.

 

5. Ứng dụng của Aerogel

Khi mới xuất hiện, Aerogel được ứng dụng ở trong mọi lĩnh vực mà con người có thể tưởng tượng ra, từ các sản phẩm trang điểm dành cho các quý bà cho đến những thứ lãng mạn hơn như làm sơn cho...bom napan. Chúng cũng được sử dụng trong các đầu lọc thuốc lá hay bộ phận cách nhiệt cho tủ lạnh.

 

 

 

Bởi vì cấu trúc độc đáo của nó, Aerogel cũng được sử dụng như là một chất cách điện “lì lợm” nhất trên trái đất. Những bộ quần áo siêu cách điện sử dụng cấu trúc Aerogel có thể hoàn toàn chống lại ba hiện tượng truyền nhiệt: đối lưu, dẫn nhiệt và bức xạ.

 

Ứng dụng rộng dãi và quan trọng bậc nhất của Aerogel hiện nay phải nói đến trong ngành công nghiệp vũ trụ. Từ các thiết bị cách điện của tàu vũ trụ Mars cho đến các tấm lưới lọc bụi vũ trụ phát ra từ các sao chổi (Sao chổi là các mẫu vật nguyên thủy được hình thành cùng với hệ mặt trời. Các nhà khoa học hy vọng những hạt bụi từ sao chổi sẽ giúp chúng ta tìm hiểu về khởi nguồn của vũ trụ). Ngoài ra, NASA cũng đã sử dụng Aerogel để làm kính cửa sổ, vỏ bọc cho các tàu thám hiểm như Mars Pathfinder, Mars Exploration Rovers và Stardust; chế tạo quần áo cách nhiệt cho phi hình gia; làm vỏ máy bay...

 

Ngoài ra, aerogel còn có thể thúc đẩy công nghệ xanh trên toàn thế giới. Carbon aerogel có tiềm năng lớn trong các siêu tụ điện, pin dành cho ô tô điện...

 

6. Tương lai của Aerogel

Hiện nay, việc sản xuất Aerogel vẫn rất tốn kém và giá thành vẫn rất cao. Điều này cản trở loại “ siêu vật liệu” này thể hiện vai trò to lớn của nó đối với cuộc sống con người. Các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu, vừa để giảm chi phí, vừa để tìm ra những tính năng mới, phát triển thêm cho loại vật liệu này ngày càng mạnh mẽ, và ứng dụng ngày càng rộng dãi.

Năm 2002, giáo sư Nicholas Leventis của đại học Khoa học và công nghệ Missouri đã khiến cả thế giới ngạc nhiên khi công bố một phương pháp mới, làm cho Aerogel không giòn như trước. Loại vật liệu này được biết đến như là X-aerogel, nó không chỉ mạnh mẽ hơn mà còn rất linh hoạt, không thấm nước và chịu được lực tác động rất lớn. Nhược điểm của X-aerogel là quy trình sản xuất đòi hỏi nhiều hóa chất nguy hiểm, mất nhiều thời gian và các hóa chất này cũng làm giảm một phần khả năng cách nhiệt. Mặc dù vậy, X-aerogel vẫn được ứng dụng trong các lĩnh vực như: cửa sổ ở trên mái nhà, lốp xe chống xì hơi, màng tế bào điện hóa, một số thành phần của máy bay, lá chắn nhiệt cho tàu vũ trụ...

 

Trong tương lai, loại vật liệu mới này hứa hẹn sẽ là nền tảng của một nền văn minh mới, thay đổi căn bản đời sống con người. Nó sẽ là cánh tay đặc lực giúp con người vươn xa hơn, sẽ được ứng dụng ngày càng sâu rộng trong nhiều lĩnh vực của đời sống.