1931年、キスラーはアルコール超臨界乾燥技術を用いて液体と固体を分離し、ガスの構造が収縮して崩壊するのを防ぎ、世界にエアロゲルを生み出しました。
エアロゲルの定義
エアロゲルは、ナノメートルサイズの微粒子が互いに凝集してナノメートルサイズの多孔質ネットワーク構造を形成し、ネットワーク骨格内に多数のガス分散媒体が充填された軽量ナノ多孔性非晶質固体材料です。
エアロゲルは機能性材料であるだけでなく、新しい物質状態でもあります。エアロゲル状態は、多くの特性において他の物質状態とは根本的に異なります。固体のように一定の大きさと形状を持ちながら、見かけ密度は最大1 g/cm³から0.001 g/cm³（空気の密度より低い）まで変化します。同時に、スポンジのような多孔質構造を持ち、ミクロ（ナノスケールの骨格）、マクロ（凝縮物質）、メソスコピック（多レベルおよびフラクタル構造）という多様な特性を備えているため、エアロゲルは多くの独特な特性を備えています。熱伝導率、弾性率、フォノン率、屈折率、誘電率、音速、比表面積、密度と屈折率の分布が非常に広いなど、エアロゲルには多くの優れた特性があります。
エアロゲルの分類
エアロゲルには幅広い種類があり、ほぼすべての材料系を網羅しています。一般的には、化学組成に基づいて、有機エアロゲル、無機エアロゲル、複合エアロゲルなどに分類されます。また、主成分に基づいて、シリコン系、炭素系、硫黄系、金属酸化物系、金属系などに分類することもできます。
エアロゲルの現状と役割
科学者たちはエアロゲルが世界を変えるだろうと言っている。
エアロゲルは、米国科学誌『サイエンス』第10号で、注目の科学技術トップ250の一つに選ばれました。20年2007月1日、タイムズ紙は、エアロゲルは1300kgのダイナマイトの爆発力に耐え、1930℃を超えるバーナーの熱からも人体を守ることができる世界最軽量の固体であると報じました。科学者たちは、超断熱宇宙服からスーパーキャパシター、触媒、次世代テニスラケットまで、あらゆる用途へのエアロゲルの応用を模索しています。エアロゲルは、1980年代のフェノール樹脂、1990年代の炭素繊維、XNUMX年代のシリコーンといった、幾世代にもわたる伝説的な素材に匹敵する存在となることが期待されています。
エアロゲルは、世界最軽量の固体としてギネスブックに複数回登録されています。また、エアロゲルは熱伝導率と屈折率が非常に低く、最高品質のガラス繊維の39倍の断熱性を有しています。エアロゲルは、ロシアのミール宇宙ステーションや米国の火星探査車「マーズ・パスファインダー」の断熱材として使用され、航空宇宙産業において既に重要な役割を果たしています。
エアロゲル開発の歴史
1931年、エアロゲルは米国スタンフォード大学のキスラーによって初めて作られました。
1985 年、ISA として知られるエアロゲルに関する最初のシンポジウムが、ドイツのヴュルツブルク大学の物理学研究所によって開催されました。
1993年、エアロゲルは宇宙服、宇宙船、スペースシャトルの断熱材として使用されるようになりました。
2002年、NASA傘下の企業であるAspen Aerogelがエアロゲルの開発・製造のために設立されました。
2004年、中国国内の研究機関がエアロゲルの研究を実施。
2006年、中国国内のエアロゲル企業がエアロゲルの開発を始めました。
2017年、中国公布、GB/T 34336-201、非多孔性エアロゲル複合断熱製品
2021年、国務院は炭素繊維、エアロゲル、特殊鋼などの基礎材料の研究開発を加速する「2023年炭素ピーク達成行動計画」を公布した。
エアロゲルの主な特性
(1) 超軽量。エアロゲルは世界で最も密度の低い固体であり、最小密度は空気の質量の0.001分の1です。密度の変動範囲は通常XNUMX～XNUMXg/cm³です。
（2）高多孔度および高比表面積。多孔度は80％～99.9％、比表面積は200～1000m2/gであり、典型的な細孔の大きさは1～100nmである。
（3）超断熱性。エアロゲルのスリムなナノネットワーク構造は、局所的な熱励起の伝播を効果的に制限し、固体熱伝導率は対応するガラス材料よりも2～3桁低くなります。
エアロゲル断熱材の原理
熱伝達の低減エアロゲル中の無数のナノ粒子が網目状の骨格を形成し、熱は無数のナノ粒子に沿ってのみ伝導します。熱伝導は無数のナノ粒子に沿ってのみ伝導するため、固体内部ではほぼ無限の熱伝達経路が形成されます。固体内部の熱伝達は、可能な限り最小限に抑えられます。
熱対流の抑制：エアロゲルの平均細孔サイズは20～40nmであり、これはガス分子の平均自由移動範囲である69nmよりも小さいため、細孔内のガス分子は自由に移動する能力を失い、対流がほぼ不可能になります。
熱放射の低減：エアロゲル中のナノ粒子によって形成される細孔壁は赤外線遮蔽材として機能し、無数の遮蔽材によって熱放射が大幅に低減されます。
（4）触媒作用。エアロゲルは粒子径が小さく、比表面積が大きく、密度が低いため、従来の触媒に比べて活性と選択性が大幅に高く、活性成分は担体中に均一に分散しており、優れた熱安定性も備えているため、副反応の発生を効果的に低減できます。
（5）遮音性。エアロゲルは音速が低いため、音響遅延や高温遮音に理想的な材料です。エアロゲルの音響インピーダンスの可変範囲は大きく（103～107kg/（㎡・s））、超音波検出器の音響抵抗結合材料として最適です。超音波発生器や検出器に使用されている圧電セラミックスの音響抵抗は1.5×107kg/（㎡・s）ですが、空気の音響抵抗はわずか400kg/（㎡・s）です。厚さ1/4波長、密度約0.3g/cm³のシリコンエアロゲルを圧電セラミックスと空気の音響抵抗結合材料として使用すると、音響強度が30dB増加し、音波の伝送効率が向上し、デバイスアプリケーションでの信号対雑音比が低下します。
(6) 濾過性能。ナノ構造エアロゲルは、新しいタイプの高効率ガス濾過材としても利用可能である。その比表面積の巨大さから、科学者からは「スーパースポンジ」と呼ばれ、水中の汚染物質を吸着し、鉛や水銀を水中から吸い出すのに最適であり、生態学的災害対策に優れた材料となっている。
（7）光学特性。純粋なSiO₂エアロゲルは無色透明で、屈折率（1.006～1.06）は空気の屈折率に非常に近いため、入射光に対する反射損失がほとんどなく、太陽光を効果的に透過します。そのため、断熱ガラスや防音ガラスの製造に使用できます。
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