vật liệu vô cơ aerogel

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
KHOA HĨA

BÀI TIỂU LUẬN MƠN VẬT LIỆU VƠ CƠ
CHỦ ĐỀ: VẬT LIỆU AEROGEL

Giảng viên bộ mơn: TS. TRẦN THỊ THU PHƯƠNG
Học viên thực hiện: NGÔ VĂN NGỌC
NGUYỄN THỊ LY NA
ĐỒNG THANH HỊA

Bình Định, 6/2021


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU............................................................................................................................ 3
NỘI DUNG........................................................................................................................ 5
1. GIỚI THIỆU..............................................................................................................5
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của Aerogel...................................................5
1.2. Một số vật liệu đã được tổng hợp.......................................................................9
2. TÍNH CHẤT............................................................................................................12
2.1. Thuộc tính..........................................................................................................12
2.2. Cấu trúc.............................................................................................................13
2.3. Độ xốp của aerolgel...........................................................................................13
2.4. Khả năng dẫn nhiệt...........................................................................................14
2.5. Chống thấm.......................................................................................................15
2.6. Tính chất quang học..........................................................................................15
2.7. Tính chất cơ học................................................................................................16
3. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP................................................................................16
3.1. Gel hóa silicon Alkoxide....................................................................................16
3.2. Sấy siêu tới hạn..................................................................................................19

4. ỨNG DỤNG.............................................................................................................21
4.1. Cách nhiệt..........................................................................................................21
4.2. Hấp phụ hóa học................................................................................................22
4.3. Xúc tác hoặc mang chất xúc tác.......................................................................22
4.4. Cách âm.............................................................................................................22
4.4. Các ứng dụng du hành của Silica Aerogel.......................................................23
5. HẠN CHẾ................................................................................................................24
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 26
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................27


MỞ ĐẦU
Aerogel là một vật liệu siêu nhẹ, xốp tổng hợp có nguồn gốc từ gel, trong đó thành
phần chất lỏng của gel đã được thay thế bằng khí mà không làm cấu trúc gel bị sụp đổ
đáng kể [1]. Kết quả là một chất rắn với mật độ, dẫn nhiệt, chỉ số khúc xạ, hằng số điện
môi thấp hơn bất kỳ chất rắn nào và hấp thụ các sóng âm thanh giảm xuống còn 100 m/s
so với 332 m/s đối với khơng khí. Aerogel đã trở thành một vật liệu của quan tâm đến các
nhà khoa học trong những thập kỷ gần đây do tính độc đáo của nó các đặc tính vật lý
mang lại cho nó tiềm năng cải thiện công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cách
nhiệt, cách âm, hấp thụ động năng, điện tử, quang học, hóa học và y sinh học,… [2] [3].
Tuy nhiên, khi đưa vào thương mại hóa thì kết quả khơng được như mong đợi.
Aerogel cịn được gọi là khói đơng lạnh, khói rắn, khơng khí rắn, đám mây rắn,
khói xanh [4]. Trong khi tin rằng nó là một phát minh gần đây của công nghệ nano do các
đặc điểm cấu trúc nano của nó. Tuy nhiên trên thực tế, đó là một vật liệu đã được nghiên
cứu từ lâu bởi Samuel Stephens Kistler tại thời điểm của ông tại Đại học Thái Bình
Dương ở Stockton, CA, Hoa Kỳ. Năm 1931, ông đã tạo ra được vật liệu aerogel trong tự
nhiên trong đó ơng đã mơ tả aerogel là một loại gel trong đó pha lỏng được thay thế bằng
khí theo cách mà mạng lưới rắn được giữ lại mà chỉ có một chút hoặc khơng co lại trong
gel [5]. Sự thành cơng của q trình này dựa trên một bước quan trọng là làm nóng hệ
thống gel trong nồi hấp trên nhiệt độ và áp suất tới hạn của pha lỏng của gel, được gọi là

làm khô siêu tới hạn. Kết quả là chất lỏng siêu tới hạn được phép thốt ra ngồi để lại một
vật liệu có độ xốp cao và mật độ cực thấp.
Trong các loại aerogel, silica aerogel, là dạng cấu trúc nano xốp của silica dioxit,
thể hiện các đặc tính hấp dẫn nhất như độ dẫn nhiệt thấp (0,015 W/m.K), mật độ khối thấp
(0,1 g/cm3), độ trong suốt quang học quang phổ nhìn thấy được (99 %), diện tích bề mặt
cao (1000 m2/g), hằng số điện môi thấp (1,0-2,0), chỉ số khúc xạ thấp (1,05), vận tốc âm
thanh thấp (100 m/s) và sợ nước [1].
Tuy có những tính chất tuyệt vời như vậy, tuy nhiên trên thực tế silica aerogel chỉ
được áp dụng cho các động cơ khoa học trong ngành hàng không vũ trụ. NASA đã thực
hiện nhiều nhiệm vụ du hành vũ trụ bằng cách sử dụng loại aerogel này như một vật liệu


cách nhiệt và thu giữ hạt siêu tốc. Bên cạnh đó, hàng khơng, cả dân dụng và qn sự cũng
có thể là một thị trường ngách đầy hứa hẹn.


NỘI DUNG
1. GIỚI THIỆU
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của Aerogel
Năm 1931, Steven Kistler đã cá cược với một đồng nghiệp rằng anh ta có thể tạo ra
một gel chứa một cấu trúc rắn có cùng kích thước và hình dạng của gel. Để làm điều này,
anh ấy đã bắt đầu với một loại gel và chiết xuất chất lỏng, để lại một chất rắn tỷ trọng
thấp phía sau. Sử dụng một nồi hấp để đẩy chất lỏng qua điểm tới hạn của nó, anh ta đã có
thể chinh phục trở ngại của sức căng bề mặt mà nếu không sẽ xé toạc cấu trúc vững chắc
bên trong của gel. Cuộc cá cược thành công, loại aerogel đầu tiên do Kistler chế tạo là
silica aerogel sử dụng natri silicat là tiền chất của silica. Cùng với thời gian, ông đã tổng
hợp aerogel hữu cơ và oxit kim loại từ alumina, oxit vonfram, oxit sắt, oxit thiếc, niken
tartrat, xenluloza, nitrocellulose, gelatin, thạch, albumen trứng và cao su. Ông tiếp tục mở
rộng các nghiên cứu của mình vào các tính chất vật lý của silica aerogel, nhấn mạnh vào
cấu trúc, mật độ và độ dẫn nhiệt của nó bằng cách thay đổi áp suất cơ học và nạp đầy các

khí như khơng khí, carbon dioxit và chlorofluorocarbon [6].
Kết quả là silica aerogel được xác định là chất rắn có độ dẫn nhiệt thấp nhất ở áp
suất khí quyển. Vào những năm 1950, một trong những bằng sáng chế của Kistler đã
được cấp cho Tập đoàn Monsanto để sản xuất quy mô lớn silica aerogel cho các ứng dụng
như chất làm đặc và vật liệu cách nhiệt dưới nhãn hiệu Santocel [7]. Sau đó, ơng được cấp
bằng sáng chế cho silica aerogel kỵ nước đầu tiên được tạo ra bằng cách silyl hóa với
trichlorometylsilane để tạo ra chất chống thấm nước [2]. Thật bất ngờ, dự án của Masanto
đã kết thúc, ngừng tất cả các hoạt động sản xuất với sự ra đời của một quy trình silica bốc
khói tương đối rẻ sử dụng tetrachloride vào năm 1960. Kể từ đó, khơng có hứng thú với
aerogel do liên quan đến việc tổng hợp aerogel với chi phí sản xuất cao.
Do đó, việc thương mại hóa bị tụt hậu trong một thời gian dài cho đến năm 1968
khi một nhóm các nhà nghiên cứu do Teichner và Nicoloan đứng đầu ở Pháp đã cải tiến
một cách chuẩn bị đơn giản hơn bằng cách áp dụng hóa học sol-gel vào chế tạo silica
aerogel, do đó thay thế thủy tinh được Kistler sử dụng bằng tetrametyl orthosilicat
(TMOS), một alkoxysilan, sau đó được loại bỏ ở điều kiện siêu tới hạn [2]. Aerogel silica


(SiO2), alumina (Al2O3), titania (TiO2), zirconia (ZrO2), magie oxit (MgO), và sự kết hợp
của ZrO2-MgO, Al2O3-MgO, và TiO2-MgO đã được sản xuất. Trong tổng hợp các vật liệu
đó, các oxit của aerogel này được quan sát thấy có giá trị cao hơn về đặc điểm kết cấu so
với các oxit thu được thơng qua phương pháp ban đầu. Diện tích bề mặt cũng lớn hơn so
với aerogel oxit tinh khiết tương ứng của chúng [8]. Thành tựu này đã gây ra một cuộc
cách mạng mới trong thế giới khoa học và công nghệ dẫn đến những nghiên cứu chuyên
sâu về vật liệu nano này. Ứng dụng khoa học đầu tiên của aerogel là máy dò bức xạ
Cherenkov, được phát triển bởi Cantin et al. vào năm 1974. Sau đó, sản xuất hàng loạt bắt
đầu và vài mét khối gạch silica aerogel trong suốt nguyên khối được sản xuất để trang bị
cho máy dò TASSO Cherenkov.
Nhà máy đầu tiên sản xuất các khối silica aerogel sử dụng TMOS được thành lập ở
Thụy Điển nhưng đã bị tàn phá bởi một vụ nổ do rị rỉ trong nồi hấp khi có metanol vào
năm 1984. Nhà máy đã được xây dựng lại và hiện đang được vận hành bởi Airglass

Corporation. Vì tính độc hại của nó, TMOS bắt buộc phải được thay thế. Chẳng bao lâu,
Tewari và Hunt tại Berkeley nhận thấy tetraetyl orthosilicat (TEOS) là hóa chất an tồn
hơn mà khơng làm thay đổi chất lượng của aerogel [9]. Nhưng quá trình này vẫn chưa an
tồn để có thể sản xuất hàng loạt. Hunt tiếp tục nghiên cứu để cải tiến và đưa ra ý tưởng
thay thế cồn trong gel bằng carbon dioxit lỏng trước khi làm khơ siêu tới hạn vì CO 2 dễ
cháy và cần nhiệt độ và áp suất thấp hơn để trở nên siêu tới hạn [10]. Điều này sẽ làm
giảm bất kỳ rủi ro nguy hiểm nào và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, do đó dẫn đến chi
phí sản xuất rẻ hơn. Đồng thời, BASF ở Đức tuyên bố đã phát triển một lộ trình thay thế
CO2 khác thông qua natri silicat. Họ tiếp thị sản phẩm với tên gọi Basogel cho đến năm
1996.
Năm 1987, sự ra đời của phương pháp đo khối lượng heli để đo mật độ xương của
aerogel đã cung cấp dữ liệu sao cho mật độ thay đổi theo nồng độ dung môi, pH và xử lý
nhiệt đậm đặc [11]. Vào cuối những năm 80, Pekala tại LLNL đã mở rộng các loại aerogel
bằng cách phát triển aerogel hữu cơ và carbon từ một polyme hữu cơ, resorcinolformaldehyde (RF) bằng cách sử dụng phương pháp sol-gel [12]. Tillotson và Hrubesh đã
phát triển các nguyên khối của silica aerogel lưỡng tính với mật độ thấp nhất, 0,003 g/cm 3


và có độ xốp lên đến 99,8% bằng cách sử dụng quy trình axit-bazơ hai bước bao gồm việc
thay thế rượu bằng dung môi aprotic, bằng cách chưng cất, gây ra hiện tượng hồ hóa [13].
Một phát triển quan trọng khác là phương pháp làm khô dưới tới hạn được tạo ra
để sản xuất silica aerogel mật độ thấp để cách nhiệt. Phương pháp này bao gồm một loạt
các giai đoạn sửa đổi hóa học lỗ chân lơng và lão hóa để ngăn chặn sự co rút mạnh của
gel trong q trình làm khơ nhanh ở áp suất mơi trường. Mật độ thay đổi trong khoảng
0,15 đến 0,3 g/cm3 với độ dẫn nhiệt 0,02 W/mK ở điều kiện khí quyển. Prakash và cộng
sự. đã mở rộng phương pháp làm khô áp suất môi trường xung quanh (APD) để giảm hơn
nữa chi phí sản xuất silica. Một quy trình phủ nhúng đơn giản bao gồm sửa đổi bề mặt để
tạo ra sự co ngót khi sấy có thể đảo ngược đã được sử dụng. Tiền thân là thủy tinh vì giá
thành rẻ và không cháy. Kết quả aerogel được quan sát là có mật độ và độ xốp có thể so
sánh được bằng cách sử dụng phương pháp làm khô siêu tới hạn. Tuy nhiên, việc thay đổi
lộ trình và một số phương pháp tiếp cận tốn nhiều thời gian hơn các phương pháp khác do

quá trình rửa và trao đổi dung môi kéo dài.
Tiếp theo là chiết xuất siêu tới hạn nhanh (RSCE) làm tăng tốc độ đốt nóng siêu tới
hạn. Thực nghiệm bởi John Poco tại LLNL vào năm 1996, cuộc điều tra này bao gồm việc
đặt sol-gel bên trong một khn có áp suất trong đó các điều kiện siêu tới hạn được kiểm
soát theo cách để tránh sự giãn nở khơng cần thiết và do đó nứt. Sự tăng cường đáng kể
bắt đầu diễn ra vào buổi bình minh của thiên niên kỷ này.
Vào năm 2001, một phương pháp dễ dàng, rẻ tiền và hiệu quả đã được Gash và
Tillotson phát triển để điều chế aerogel oxit kim loại bằng cách sử dụng các chất gel hóa
có pha tạp epoxit với điều kiện là các ion kim loại tương ứng phải có hóa trị bằng hoặc
lớn hơn +3 trong q trình oxy hóa hình thành của chúng. tiểu bang. Kết quả đầy hứa hẹn
và các khối vật liệu vi xốp có diện tích bề mặt cao đã được sản xuất. Một năm sau,
Leventis et al. đã phát triển aerogel siêu nhẹ được biến đổi cơ học, được gọi là X-aerogel
bằng cách liên kết chéo các diisocyanat thành cấu trúc vi mô của silica aerogel. Cường độ
của thép tăng gấp 300 lần trong khi cường độ nén cụ thể của nó xấp xỉ mười lần cường độ
của thép. Công việc của ông đã được mở rộng với sự hỗ trợ của các nhà nghiên cứu khác
để điều tra liên kết ngang của polyme với các loại aerogel khác như oxit kim loại chuyển


tiếp và chất hữu cơ sẽ mở rộng hơn nữa các ứng dụng của aerogel. X-aerogel đã được
thực hiện thông qua việc bổ sung một polyme làm lớp phủ bảo vệ trên khung silica.
Mặt khác, chất bán dẫn làm bằng chalcogenide kim loại đã được báo cáo vào năm
2005 bởi Mohanan và cộng sự. Họ đã sử dụng một phương pháp bao gồm sự kết hợp oxy
hóa của các khối cấu tạo hạt nano chalcogenide kim loại kết hợp với quá trình sấy siêu tới
hạn. Chất bán dẫn thu được có độ xốp và diện tích bề mặt cao, và các đặc tính quang học
giới hạn lượng tử đặc trưng giống với các thành phần hạt nano của chúng. Năm tiếp theo
là sự phát minh ra bọt kim loại nano ngun khối có mật độ cực thấp và diện tích bề mặt
cao lần lượt là 0,011 g/cm3 và 270 m2/g. Các kim loại được chọn là sắt, coban, đồng và
bạc trong khi những kim loại tiềm năng khác vẫn đang được nghiên cứu. Sau đó, aerogel
ống nano carbon được phát minh vào năm 2007 thông qua một phương pháp tổng hợp
mới bao gồm các tiền chất gel nước, sau đó là sấy siêu tới hạn và sấy đông lạnh. Các ống

nano có thể được chế tạo chắc chắn hơn bằng cách pha tạp chất cồn polyvinyl cho phép
chúng chống lại trọng lượng nặng hơn 800 lần so với phiên bản ban đầu của chúng.
Chúng cũng là chất dẫn nhiệt và điện tuyệt vời.
Nộp hồ sơ vào năm 2004 và được cấp bằng sáng chế vào năm 2007, Halimaton đã
trình bày phương pháp của mình để sản xuất silica aerogel tinh khiết thơng qua phương
pháp sol-gel, sau đó là làm khơ carbon dioxit siêu tới hạn. Tuy nhiên, cô ấy đã sử dụng
một phế phẩm nông nghiệp, tro trấu (RHA), làm nguồn cung cấp silica. Thuật ngữ thương
mại là Maerogel là viết tắt của “Aerogel do Malaysia sản xuất”. Kết cấu và các đặc tính
vật lý của chất sau đã được chứng minh là có thể so sánh với silica aerogel truyền thống.
Maerogel được sản xuất bằng cách đầu tiên hòa tan tro trấu trong natri hydroxit
trong nước với tỷ lệ Na2:SiO2 là 1:3,33, để tạo ra dung dịch natri silicat chứa từ 1 đến 16%
trọng lượng của SiO2. Sau đó, axit sulfuric đậm đặc được thêm vào dung dịch thủy tinh
nước thu được để chuyển natri silicat thành silica để thu được silica hydrogel. Tiếp theo là
q trình lão hóa sẽ tạo điều kiện cho cấu trúc gel phát triển. Điều này có thể kéo dài đến
bốn mươi ngày. Sau đó, nước được chuyển vị từ C 1 đến C4 rượu, tốt nhất là metanol hoặc
etanol để có được một loại rượu. Loại thứ hai được làm khô siêu tới hạn sau khi rượu
được thay thế bằng carbon dioxit để thu được một aerogel. Tốt nhất nên thực hiện chiết
xuất siêu tới hạn bằng cách đặt cồn chứa cồn bổ sung vào nồi hấp có gắn cặp nhiệt điện


và bộ điều khiển nhiệt độ và từ từ tăng nhiệt độ trong nồi hấp cho đến khi đạt được nhiệt
độ và áp suất tới hạn. Có thể tăng nhiệt độ, ví dụ, với tốc độ 50 °C/h, trong thời gian cần
thiết để đạt đến nhiệt độ tới hạn. Sau một thời gian nhất định, hơi rượu được thốt ra
ngồi qua một lỗ rị có kiểm sốt bằng cách giảm dần áp suất và nhiệt độ theo điều kiện
khí quyển. Nhiệt độ có thể giảm trong khoảng thời gian, ví dụ, mười hai giờ. Lượng cồn
bổ sung phải sao cho có đủ cồn trong nồi hấp để đạt được áp suất tới hạn. Các aerogel thu
được là loại ưa nước, có các nhóm hydroxyl trên bề mặt của chúng nhưng có thể chuyển
sang dạng kỵ nước bằng cách thay thế các nhóm hydroxyl bằng các nhóm alkoxy. Điều
này có thể đạt được, ví dụ, bằng cách cho hơi metanol đi qua một mẫu aerogel đã được
nung nóng. Thuận lợi hơn là phản ứng metyl hóa được thực hiện trong một hệ thống kín,

trong đó mẫu có thể được đặt trong một ống được bao bọc trong một lò nung bên ngồi và
kéo dài giữa một bình chứa metanol đang sơi và một bình ngưng, được nối trở lại bình.
Nhiệt độ của lị có thể là 250 °C. Tốt nhất là các mẫu được thốt khí ở nhiệt độ khoảng
100 °C dưới áp suất giảm khoảng 10−5  kPa trong ít nhất 15 giờ cả trước và sau q trình
metyl hóa.
Năm 2009, aerogel kim loại đầu tiên được chế tạo bởi Leventis et al. Nó là một
loại aerogel sắt được tạo ra bằng cách nấu chảy trộn lẫn giữa resorcinol-formaldehyde và
xerogel oxit sắt (aerogel được làm khô trong môi trường xung quanh). Chúng là các vật
liệu “sắt từ và siêu thuận từ” giàu cacbon, đồng thời có từ tính và kim loại. Gần đây, một
loại aerogel polyme hóa cao cấp được gọi là polyimide aerogel đã được thiết kế riêng tại
Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA ở Ohio. Gel polyimide được sản xuất bằng cách
liên kết ngang các oligome axit polyamic anhydrit có liên kết ngang với triamine thơm
trong dung dịch và bằng cách nhúng hóa học. Các gel tiếp theo sau đó được làm khơ siêu
tới hạn để tạo thành các polyimide aerogel. Những loại aerogel biến đổi này có mật độ
thấp tới 0,14 g/cm3 và diện tích bề mặt cao tới 512 m2/g. Độ bền cơ học của lớp aerogel
mới này cao gấp 500 lần so với silica truyền thống và có thể cung cấp cách nhiệt và cách
âm hàng loạt. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt được tăng lên theo một yếu tố nhất định vì bản chất
nguyên khối của nó [14].


1.2. Một số vật liệu đã được tổng hợp
1.2.1. Silica Aerogel
Silica aerogel là loại aerogel phổ biến nhất và là loại chính được sử dụng hoặc
nghiên cứu [6]. Đó là silica dựa trên và có thể được bắt nguồn từ silica gel hoặc bởi một
biến đổi quá trình Stober. Hạt xốp nano silica mật độ thấp nhất nặng 1000 g/m 3, là phiên
bản sơ tán của aerogel kỷ lục 1900 g/m 3. Mật độ của khơng khí là 1200 g/m 3 (ở 20 °C và
1 atm). Vào năm 2013, aerographene có tỷ trọng thấp hơn ở 160 g/m 3 (bằng 13% tỷ trọng
của khơng khí ở nhiệt độ phịng).
Silica aerogel chỉ chiếm 3% thể tích chất rắn do đó độ dẫn điện qua chất rắn rất
thấp. 97% thể tích cịn lại bao gồm khơng khí trong các lỗ nano cực nhỏ. Khơng khí có rất

ít chỗ để di chuyển, ức chế cả sự đối lưu và sự dẫn pha khí. Silica aerogel cũng có độ
truyền quang học cao ~ 99% và chỉ số khúc xạ thấp ~ 1,05. Loại aerogel này có đặc tính
cách nhiệt đáng chú ý, có độ dẫn nhiệt cực thấp: từ 0,03 W/m.K trong áp suất khí quyển
xuống 0,004 W/m.K trong chân khơng, tương ứng với Giá trị R từ 14 đến 105 (hệ đo
lường US) hoặc 3,0 đến 22,2 (hệ mét) cho độ dày 3,5 in (89 mm). Để so sánh, cách nhiệt
tường điển hình là 13 (hệ đo lường US) hoặc 2,7 (hệ mét) cho cùng độ dày. Điểm nóng
chảy của nó là 1473 K (1200 °C; 2192 °F) [15].
Cho đến năm 2011, silica aerogel đã giành được 15 mục trong Kỷ lục Guinness
Thế giới về các đặc tính vật liệu, bao gồm chất cách điện tốt nhất và chất rắn có mật độ
thấp nhất, mặc dù nó đã bị loại khỏi danh hiệu thứ hai bởi vật liệu thậm chí cịn nhẹ hơn
aerographite vào năm 2012 và sau đó là aerographene vào năm 2013 [16].
1.2.2. Carbon
Carbon aerogel bao gồm các hạt có kích thước trong phạm vi nanomet, liên kết
cộng hóa trị với nhau. Chúng có độ xốp rất cao (trên 50%, với đường kính lỗ dưới 100
nm) và diện tích bề mặt dao động từ 400 đến 1000 m 2/g. Chúng thường được sản xuất
dưới dạng giấy tổng hợp: giấy không dệt làm từ sợi carbon, được ngâm tẩm với resorcinol
- formaldehyde aerogel, và bị nhiệt phân. Tùy thuộc vào mật độ, carbon aerogel có thể
dẫn điện, làm cho giấy aerogel composite hữu ích cho các điện cực trong tụ điện hoặc
điện cực khử ion. Do diện tích bề mặt cực cao, các khí carbon được sử dụng để tạo ra siêu
tụ điện, với giá trị lên tới hàng nghìn farad dựa trên mật độ điện dung 104 F/g và 77


F/cm3. Các aerogel carbon cũng cực kỳ "đen" trong phổ hồng ngoại, chỉ phản xạ 0,3%
bức xạ trong khoảng từ 250 nm đến 14,3 µm, khiến chúng trở nên hiệu quả đối với các bộ
thu năng lượng mặt trời ) [16].
1.2.3. Oxit kim loại
Các aerogel oxit kim loại được sử dụng làm chất xúc tác trong các phản ứng hoặc
biến đổi hóa học khác nhau hoặc làm tiền chất cho các vật liệu khác.
Aerogel được làm bằng oxit nhôm được gọi là aerogel alumin. Những aerogel này
được sử dụng làm chất xúc tác, đặc biệt là khi được "pha tạp chất" với một kim loại khác

ngồi nhơm. Nickel – alumina aerogel là sự kết hợp phổ biến nhất. Alumina aerogel cũng
đang được NASA xem xét để bắt các hạt siêu tốc; một cơng thức pha tạp với gadolinium
và terbium có thể phát huỳnh quang tại vị trí hạt va chạm, với lượng huỳnh quang phụ
thuộc vào năng lượng va chạm.
Một trong những điểm khác biệt đáng chú ý nhất giữa silica aerogel và aerogel oxit
kim loại là aerogel oxit kim loại thường có nhiều màu khác nhau [17].
Aerogel
Silica, alumin, titania, zirconia

Màu sắc
Rõ ràng với tia tán xạ Rayleigh xanh lam hoặc

Sắt oxit
Chromia
Vanadia
Neodymium oxit
Samaria
Holmia, erbia

trắng
Gỉ đỏ hoặc vàng, mờ đục
Xanh lục đậm hoặc xanh lam đậm, mờ đục
Màu xanh ô liu, mờ đục
Màu tím, trong suốt
Vàng, trong suốt
Màu hồng, trong suốt

1.2.4. Khác
Các polyme hữu cơ có thể được sử dụng để tạo aerogel. SEAgel được làm bằng
thạch. Màng AeroZero được làm bằng polyimide. Xenlulo từ thực vật có thể được sử

dụng để tạo ra một aerogel dẻo [11].
GraPhage13 là aerogel dựa trên graphene đầu tiên được lắp ráp bằng cách sử dụng
graphene oxit và xạ khuẩn M13 [18].
Chalcogel là một aerogel làm bằng chalcogens (cột của các nguyên tố trong bảng
tuần hoàn bắt đầu với oxy) như lưu huỳnh, selen và các yếu tố khác [19]. Các kim loại rẻ
hơn bạch kim đã được sử dụng để tạo ra nó.


Aerogel làm bằng các chấm lượng tử cadmium selenua trong mạng 3-D xốp đã
được phát triển để sử dụng trong ngành cơng nghiệp bán dẫn [20].
Hiệu suất aerogel có thể được tăng cường cho một ứng dụng cụ thể bằng cách bổ
sung chất pha tạp, cấu trúc gia cố và hợp chất lai. Aspen Aerogels sản xuất các sản phẩm
như Spaceloft [21], là vật liệu tổng hợp của aerogel với một số loại đánh bóng dạng sợi.
2. TÍNH CHẤT
2.1. Thuộc tính

Hình 1: a) Một bơng hoa nằm trên một miếng aerogel treo lơ lửng trên ngọn lửa; b) Một
aerogel được giữ bằng tóc.
Các đặc tính vật lý của aerogel phụ thuộc nhiều vào mật độ và thành phần hóa học
của nó. Do đó, các phương pháp tổng hợp khác nhau sẽ dẫn đến các giá trị điển hình
khơng giống nhau cho các thuộc tính nhất định. Bảng bên dưới cho ta cái nhìn sơ bộ về
tính chất của một số vật liệu aerogel.
Thơng số
Mật độ rõ ràng
Diện tích bề mặt bên trong
Đường kính lỗ trung bình
Đường kính hạt
Khả năng chịu nhiệt
Độ nóng chảy
Độ dẫn nhiệt điển hình

Hệ số giãn nở nhiệt
Tỷ lệ Poisson
Mô-đun của Young
Sức căng

Aerogel
0,003 – 0,35 g/cm3
600 – 1000 m2/g
20 nm
2 – 5 nm
500 °C
> 1200 °C
0,015 W/mK
2,0 – 4,0.10−6
0,2
6
10 – 107  N/m2
16 kPa


Độ dẻo dai gãy xương
Chỉ số khúc xạ
Hằng số điện môi
Vận tốc âm thanh

0,8 kPam0,5
1,0 – 1,05
~ 1.1
100 m/s
Bảng 1: Tính chất vật lý của silica aerogel

Silica aerogel có cảm giác dính vì các nhóm silanol (Si-OH) khơng phản ứng kết
thúc lớp da của bộ xương của chúng các nhóm -OH dễ dàng tạo ra các liên kết hydro yếu,
không giống như bang Scotch, khiến nó có cảm giác dính.
2.2. Cấu trúc
Cấu trúc aerogel là kết quả của quá trình trùng hợp sol-gel, là khi các monome
phản ứng với các monome khác để tạo thành sol hoặc một chất bao gồm các đại phân tử
liên kết, liên kết chéo với dung dịch lỏng giữa chúng. Khi vật liệu được làm nóng tới hạn,
chất lỏng bay hơi và khung đại phân tử liên kết, liên kết ngang bị bỏ lại. Khung rắn tạo
nên silica aerogel bao gồm các hạt nano silica oxit của silicon giống như thủy tinh, thạch
anh hoặc cát (mặc dù những dạng silica này thường có các thành phần khác được trộn
vào). Cách các hạt nano này kết nối với nhau để tạo thành khung của aerogel có thể khác
nhau, và nói chung là kết quả hóa học được sử dụng để điều chế gel tiền thân aerogel.
Trong một silica aerogel được sản xuất thơng qua q trình sol-gel alkoxit xúc tác gốc
điển hình, các hạt sơ cấp có kích thước nano của silica có đường kính 2-5 nm được kết tụ
thành các hạt thứ cấp hình cầu có đường kính 50 nm-2 um (2000 nm) sau đó lần lượt
được kết nối với nhau thành các sợi trong cấu trúc kiểu “chuỗi ngọc trai. Trong silica
aerogel được sản xuất thơng qua q trình sol-gel xúc tác axit, các hạt sơ cấp nhỏ hơn
không kết tụ thành các hạt thứ cấp hình cầu lớn hơn và thay vào đó được kết nối theo hình
thái giống như lá [14].
2.3. Độ xốp của aerolgel
Có một số cách để xác định độ xốp của aerogel: ba phương pháp chính là hấp phụ
khí, đo độ xốp thủy ngân và phương pháp tán xạ. Trong q trình hấp phụ khí, nitơ ở
điểm sơi của nó được hấp phụ vào mẫu aerogel. Khí được hấp phụ phụ thuộc vào kích
thước của các lỗ trong mẫu và vào áp suất riêng phần của khí so với áp suất bão hịa của
nó. Thể tích của khí bị hấp phụ được đo bằng cách sử dụng công thức Brunauer, Emmit


và Teller (BET), cho diện tích bề mặt cụ thể của mẫu. Ở áp suất riêng phần cao trong quá
trình hấp phụ/giải hấp, phương trình Kelvin đưa ra sự phân bố kích thước lỗ của mẫu.

Trong phép thử thủy ngân, thủy ngân được buộc vào hệ thống xốp aerogel để xác định
kích thước lỗ chân lơng, nhưng phương pháp này khơng hiệu quả cao vì khung vững chắc
của aerogel sẽ sụp đổ do lực nén cao. Phương pháp tán xạ liên quan đến độ lệch phụ thuộc
góc của bức xạ trong mẫu aerogel. Mẫu có thể là các hạt rắn hoặc các lỗ rỗng. Bức xạ đi
vào vật liệu và xác định dạng hình học đứt gãy của mạng lưới lỗ xốp aerogel. Các bước
sóng bức xạ tốt nhất để sử dụng là tia X và neutron. Aerogel cũng là một mạng xốp mở:
sự khác biệt giữa mạng xốp mở và mạng xốp kín là trong mạng mở, các chất khí có thể đi
vào và rời khỏi chất mà khơng có giới hạn nào, trong khi mạng xốp kín giữ các khí bên
trong vật liệu một cách cưỡng bức. chúng nằm trong lỗ chân lơng. Độ xốp và diện tích bề
mặt cao của silica aerogel cho phép chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng lọc môi
trường khác nhau.
2.4. Khả năng dẫn nhiệt
Aerogel có độ dẫn nhiệt nhỏ hơn độ dẫn nhiệt của chất khí mà chúng chứa. Điều
này gây ra bởi hiệu ứng Knudsen, sự giảm độ dẫn nhiệt trong chất khí khi kích thước của
khoang bao quanh chất khí trở nên tương đương với đường dẫn tự do trung bình. Các
khoang hạn chế chuyển động của các phần tử khí, giảm độ dẫn nhiệt bằng việc loại bỏ sự
đối lưu. Ví dụ, độ dẫn nhiệt của khơng khí là khoảng 25 mW/m.K ở nhiệt độ và áp suất
tiêu chuẩn (273K, 1 atm) và trong một bình chứa lớn, nhưng giảm xuống cịn khoảng 5
mW/m.K ở lỗ có đường kính 30 nanomet [22].


2.5. Chống thấm.

Hình 2: Thay thế nhóm OH bằng các nhóm OR kị nước
Aerogel chứa các hạt có đường kính 2–5 nm. Sau quá trình tạo aerogel sẽ chứa một
lượng lớn nhóm hydroxyl trên bề mặt. Các nhóm hydroxyl có thể gây ra phản ứng mạnh
khi đặt aerogel trong nước hoặc hơi nước trong khơng khí, khiến nó hịa tan trong nước
một cách nhanh chóng. Một cách đưa ra để giúp aerogel chống thấm là ngâm aerogel với
một số cơ sở hóa học sẽ thay thế các nhóm hydroxyl bề mặt (–OH) bằng các nhóm khơng
phân cực metoxyl (–OR) và đạt hiệu quả nhất khi R là một nhóm no [23].

2.6. Tính chất quang học
Sự xuất hiện trong suốt và trong mờ của aerogel chủ yếu là do tán xạ Raleigh, xảy
ra khi sự không đồng nhất trong mạng lưới gel rắn nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của
ánh sáng nhìn thấy. Lượng ánh sáng phân tán từ một aerogel phụ thuộc vào các tính
khơng đồng nhất về cấu trúc này, do đó có thể được kiểm sốt trong quá trình chiết xuất
siêu tới hạn, điều này quyết định sự sắp xếp khơng gian của mạng gel. Do đó, có thể dự
đốn rằng chiết suất của silica aerogel rất gần bằng một, nghĩa là khi ánh sáng đi vào
aerogel không bị phản xạ. Một ứng dụng thực tế khai thác đặc tính này là máy dị
Cherenkov u cầu mơi trường có chiết suất gần bằng một [14].


2.7. Tính chất cơ học
Silica aerogel được biết đến là đặc trưng mỏng manh và dễ gãy do các kết nối giữa
các hạt trong mạng lưới fractal giống như chuỗi hạt ngọc trai, khiến chúng khơng thích
hợp cho các ứng dụng chịu tải. Một cách tiếp cận là kết hợp các sợi silica vào aerogel.
Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng khi 10% trọng lượng của các sợi này được đưa vào, mô
đun đàn hồi và độ bền tăng lên lần lượt là 85% và 26%. Ngồi ra, mơ đun nén và độ bền
kéo của aerogel có thể được cải thiện tương ứng ba và năm lần, nếu 5% trọng lượng của
sợi nano cacbon được đưa vào cấu trúc mạng. Liên kết ngang pha lỏng, liên kết ngang pha
hơi, tăng cường sợi và liên kết giảm cũng có thể nâng cao các tính chất cơ học của
aerogel. Mặc dù sức mạnh của chúng vượt trội hơn silica aerogel, nhưng các đặc tính đàn
hồi và linh hoạt của chúng vẫn chưa được điều chỉnh cho các ứng dụng hàng không vũ trụ
tiên tiến như các thành phần cấu trúc và bảo vệ nhiệt cho vệ tinh nhỏ, tàu vũ trụ, phương
tiện hành tinh và môi trường sống [14].
3. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP
Aerogel được tổng hợp lần đầu là loại gel silica (SiO 2). Mặc dù aerogel cũng đã
được tạo ra với alumin, chromia, oxit thiếc, carbon và các vật liệu khác, tuy nhiên silica là
dễ dàng nhất và đáng tin cậy nhất để sản xuất. Các gel silica có chất phần chất lỏng chiếm
khoảng 99%, nhưng chứa ma trận tạo ra chất lỏng sức căng bề mặt. Trong silica gel, các
mạng lưới phân tử này là được tạo thành từ các đuôi gai silica. Bước đầu tiên trong việc

chế tạo aerogel là tạo ra cái được gọi là "Gel ướt."
3.1. Gel hóa silicon Alkoxide
3.1.1. Sự hình thành của một Sol
Ba phản ứng xảy ra khi một alkoxit phản ứng với nước, cùng nhau dẫn đến sự hình
thành các hạt nano silica (những hạt sau này sẽ liên kết với nhau để tạo thành gel). Phản
ứng đầu tiên của những phản ứng này là thủy phân, trong đó một alkoxit silic phản ứng
với nước để tạo thành các nhóm silanol (Si-OH). Sau đó, các nhóm silanol này có thể
phản ứng với nhau hoặc với nhóm alkoxit (Si-OR) để tạo thành cầu siloxan (Si-O-Si), dẫn
đến việc nối hai phân tử thành một phân tử lớn hơn. Mỗi ngun tử silicon có thể hình
thành tối đa bốn cầu siloxan, cho phép nhiều phân tử nhỏ kết nối với nhau thành những


phân tử khổng lồ chứa hàng nghìn cầu silicon-oxy. Những tập hợp lớn của cầu silicon và
oxy này được gọi là hạt nano silica và có đường kính ngang khoảng vài nanomet. Nói
chung, thành phần của các hạt nano này có thể được biểu thị bằng cơng thức thực nghiệm
SiO2, nhưng chính xác hơn bằng cơng thức polyme (SiO 4)n (trong đó mỗi nguyên tử silic
được gắn bằng một liên kết đơn với bốn oxy mà cầu nối với nhau nguyên tử silic). Tuy
nhiên, trong quá trình hình thành hạt nano silica, không phải mọi nguyên tử silicon đều
kết thúc tạo thành bốn cầu siloxan và thay vào đó, nó bám vào một hoặc nhiều nhóm
hydroxyl (-OH) hoặc alkoxy (-OR) của nó (mà lẽ ra đã được sử dụng để hình thành một
liên kết siloxan). Chúng được gọi là "nhóm đầu cuối", và bao phủ bề mặt của các hạt
nano.

Hình 3: Cấu trúc “TMOS”
Hiện tại, cách tốt nhất để tạo gel ướt là bắt đầu bằng tiền chất silicon alkolyde,
chẳng hạn như TMOS đã được sử dụng đóng vai trị là nguồn cung cấp silica, nước hoạt
động như một chất phản ứng để giúp liên kết các phân tử alkoxit với nhau, và chất xúc tác
(như amoni hydroxit hoặc amoni florua) giúp cơ bản phản ứng hóa học diễn ra đủ nhanh
để có ích trên thực tế. Bởi vì các alkoxit silic thường là chất lỏng không phân cực, tuy

nhiên, chúng không thể trộn lẫn với nước. Kết quả là, một dung mơi như etanol hoặc
axeton, có thể trộn lẫn với cả silic alkoxit và nước, được thêm vào để đưa mọi thứ vào
cùng một pha để các phản ứng hóa học cần thiết có thể xảy ra.
Nói chung, loại hóa học này có thể được thực hiện ở nhiệt độ và áp suất môi
trường chỉ đơn giản bằng cách trộn các tỷ lệ chính xác của các hóa chất với nhau - chất
lỏng đi vào, gel ra ngoài! Tất nhiên, tồn tại các quy trình khác nhau phức tạp hơn, mỗi
quy trình có lợi thế riêng. Dưới đây là phần trình bày về những gì xảy ra ở cấp độ phân tử
khi một alkoxit silic phản ứng với nước để tạo thành gel silica.
Si(OCH2CH3)4 (liq.) + 2H2O (liq.) � SiO2 (rắn) + 4HOCH2CH3 (liq.)

Hình 4: Phản ứng Sol – Gel với Silicon Alkoxit
3.1.2. Hình thành gel từ Sol
Tại một thời điểm nào đó, các hạt nano đạt đến kích thước tới hạn nơi chúng
ngừng phát triển về kích thước và thay vào đó kết tụ với các hạt nano khác. Điều này phụ
thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như độ pH và nồng độ của các loài khác trong dung
dịch. Khi đủ các hạt nano liên kết với nhau để tạo thành một mạng lưới liên tục kéo dài
trong dung dịch lỏng, một loại gel sẽ hình thành. Thơng thường, gel được đặt tên đặc biệt


tùy thuộc vào dung dịch lỏng chứa trong lỗ chân lơng của chúng. Vì một loại rượu nào đó
(chẳng hạn như metanol hoặc etanol) thường được sử dụng để sản xuất gel silica, nên
thuật ngữ “silica alcoholgel” thường được sử dụng. Mặt khác, một “hydrogel” sẽ chứa
nước trong các lỗ chân lơng của nó. Tùy thuộc vào hóa học của dung dịch phản ứng, q
trình gel hóa có thể chỉ xảy ra ngay sau khi tạo sol, hoặc có thể cần thêm chất xúc tác,
nước, nhiệt độ hoặc thời gian để xảy ra. Cũng có thể việc bổ sung những thứ này sẽ làm
cho các hạt nano kết tủa tạo thành màu trắng đục thay vì dạng gel. Kết quả là, hóa học của
hệ thống có thể khá nhạy cảm.
Xuyên suốt aerogel và đặc biệt, trên bề mặt của các thanh chống tạo nên khung
giống như miếng bọt biển của aerogel, là các nhóm chức năng trong đó nguyên tử silicon

không chia sẻ cầu siloxan với nguyên tử silicon khác (nghĩa là một trong bốn liên kết của
nó khơng tham gia vào liên kết mạng). Phần lớn các nhóm chức này là các nhóm hydroxyl
(-OH) cịn sót lại sau q trình thủy phân alkoxit, và ít hơn là các nhóm alkoxy không bao
giờ bị thủy phân hoặc được cải tạo sau khi thủy phân (-OR, chẳng hạn như metoxy).
* Mặt hạn chế của phương pháp Alkoxide
Mặc dù tính chất hóa học của q trình gel hóa silicon alkoxide rất đơn giản và tao
nhã từ góc độ hóa học, nhưng alkoxide có những nhược điểm của chúng. Thứ nhất,
alkoxit silic cũng như alkoxit kim loại đều nguy hiểm vì hít phải hơi của chúng sẽ gây ra
sự thủy phân và do đó sự hình thành hạt nano xảy ra trong các mơ ướt như phổi và màng
mũi. Thứ hai, alkoxit có xu hướng rất đắt tiền vì chúng địi hỏi một số bước hóa học để
điều chế. Trong trường hợp các alkoxit silic, tetraethoxysilan thường được ưa chuộng hơn
tetramethoxysilan vì nó rẻ hơn khoảng bốn lần (30 USD / lit so với 120 USD / lit) và mặc
dù ít phản ứng hơn, cũng ít nguy hiểm hơn (nhưng vẫn nên được sử dụng trong một nắp
thông hơi).
3.2. Sấy siêu tới hạn
Quá trình cuối cùng và quan trọng nhất trong quá trình sản xuất silica aerogel là
làm khô siêu tới hạn. Đây là nơi chất lỏng bên trong gel bị loại bỏ, chỉ để lại mạng silica
liên kết. Gel trong đó chất lỏng được phép bay hơi với tốc độ tự nhiên được gọi là
xerogel. Khi chất lỏng bay hơi, lực gây ra bởi sức căng bề mặt của giao diện lỏng-rắn đủ
để phá hủy mạng lưới gel mỏng manh. Kết quả là, xerogel không thể đạt được độ xốp cao


và thay vào đó đạt đỉnh ở độ xốp thấp hơn và thể hiện một lượng lớn co ngót sau khi sấy
[24]. Để tránh cấu trúc bị xẹp trong quá trình bay hơi dung mơi chậm và giảm sức căng bề
mặt của bề mặt phân cách lỏng-rắn, aerogel có thể được hình thành bằng cách đơng khơ
(bảo quản khơ lạnh).
Năm 1931, để phát triển aerogel đầu tiên, Kistler đã sử dụng một quy trình được
gọi là sấy siêu tới hạn để tránh sự thay đổi pha trực tiếp [6]. Bằng cách tăng nhiệt độ và áp
suất, ông đã buộc chất lỏng chuyển sang trạng thái chất lỏng siêu tới hạn, ở đó bằng cách
giảm áp suất, ơng có thể hóa khí ngay lập tức và loại bỏ chất lỏng bên trong aerogel, tránh

làm hỏng mạng lưới ba chiều mỏng manh. Trong khi điều này có thể được thực hiện với
ethanol, nhiệt độ và áp suất cao dẫn đến các điều kiện chế biến nguy hiểm. Một phương
pháp an toàn hơn, nhiệt độ và áp suất thấp hơn liên quan đến việc trao đổi dung môi. Điều
này thường được thực hiện bằng cách trao đổi chất lỏng lỗ xốp ban đầu lấy chất lỏng có
CO2 như etanol hoặc axeton và sau đó đưa carbon dioxit lên trên điểm tới hạn của nó. Một
biến thể của q trình này bao gồm việc phun trực tiếp carbon dioxit siêu tới hạn vào bình
áp suất có chứa aerogel. Kết quả cuối cùng của một trong hai quá trình trao đổi chất lỏng
ban đầu từ gel với carbon dioxit, mà không cho phép cấu trúc gel bị sụp đổ hoặc mất thể
tích [25].
Trong những năm đầu, việc chế tạo aerogel có nghĩa là gửi rượu đến áp suất và
nhiệt độ dễ bay hơi để để đạt đến điểm siêu tới hạn của nó và cho phép chiết xuất siêu tới
hạn của gel. Sau đó, vào những năm 1980, sự quan tâm đã được gia hạn khi một nhà khoa
học người Pháp, cố gắng cải thiện quy trình chế tạo cho chính phủ Pháp, đã phát triển một
quy trình sử dụng các vật liệu ít độc hại hơn. Anh ta chuyển từ rượu metylic và tetrametyl
Ortho Silicate (TMOS) sang ghép đôi rượu etylic và Tetra Etylic để an toàn hơn Ortho
Silicate (TEOS). Bước đột phá tiếp theo là đầu năm 1990 khi carbon dioxit lỏng thay thế
etyl cồn tham gia vào gel trước khi lấy mẫu thơng qua q trình siêu tới hạn. Điều này
cho phép các nhà khoa học bỏ qua áp suất và nhiệt độ nguy hiểm cần thiết để đưa etanol
nguyên chất vượt qua điểm siêu tới hạn của nó. Chất lỏng carbon dioxit có các u cầu
tương đối bình thường ở 305 K và 1050 psi được đưa đến điểm siêu tới hạn của nó. Để có
được mật độ thấp kỵ nước và nhiệt thấp aerogel dẫn để cách nhiệt và chất lỏng mục đích
hình thành đá cẩm thạch, các thơng số sol-gel khác nhau, các thông số xử lý cụ thể là rửa,


lắc, dung môi, chất tạo keo và phương pháp làm khô rất đa dạng cùng với việc pha tạp gel
với bột TiO2.
4. ỨNG DỤNG
4.1. Cách nhiệt
Aerogel đã được thêm ở dạng hạt vào cửa sổ trần cho mục đích này. Dự án Ngôi
nhà Decathlon bằng năng lượng mặt trời năm 2007 của Viện Công nghệ Georgia đã sử

dụng một aerogel làm chất cách điện trong mái nhà bán trong suốt [26].

Hình 5: Một aerogel giữ bút chì màu, với ngọn lửa được thắp sáng bên dưới, thể hiện khả
năng cách nhiệt tuyệt vời của nó.
Nhiệt độ khắc nghiệt của sao Hỏa, có thể dao động từ -220 °F (-140 °C) đến 70 °F
(+20 °C), có thể dẫn đến một số chênh lệch nhiệt độ khá nghiêm trọng và ứng suất nhiệt
gây ra trong các thiết bị điện tử nhạy cảm. Một phần nhờ vào khả năng cách điện ấn
tượng của silica aerogel, các thiết bị điện tử trên tàu thăm dị sao Hỏa sinh đơi, Spirit và
Opportunity, đã quản lý khá tốt trên Hành tinh Đỏ và hoạt động tốt hơn mong đợi về thiết
kế của chúng.
Các Hải quân Mỹ đánh giá sử dụng aerogel trong đồ lót như bảo vệ nhiệt thụ động
cho thợ lặn. Tương tự, các aerogel đã được NASA sử dụng để cách nhiệt cho các bộ quần
áo vũ trụ
CamelBak sử dụng aerogel làm vật liệu cách nhiệt trong chai thể thao nhiệt.


Resorcinol - formaldehyde aerogel (polyme tương tự về mặt hóa học với nhựa
phenol formaldehyde) được sử dụng làm tiền chất để sản xuất aerogel carbon, hoặc khi
cần một chất cách điện hữu cơ có bề mặt lớn.
4.2. Hấp phụ hóa học

Hình 6: Hút dầu bằng aerogel.
Để làm sạch các chất tràn silica aerogel có thể được sử dụng để lọc; Chúng có diện
tích bề mặt cao, độ xốp và cực kỳ kỵ nước. Chúng có thể được sử dụng để loại bỏ kim
loại nặng. Điều này có thể được áp dụng để xử lý nước thải.
Trong lọc nước, chalcogel đã cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc hấp thụ các chất ơ
nhiễm kim loại nặng là thủy ngân, chì và cadmium từ nước. Aerogel có thể được sử dụng
để tách dầu khỏi nước, chẳng hạn như có thể được sử dụng để ứng phó với sự cố tràn dầu.
Aerogel có thể được sử dụng để khử trùng nước, diệt vi khuẩn
Là thành phần trong chất hấp thụ năng lượng.

4.3. Xúc tác hoặc mang chất xúc tác.
Các hợp chất nano metal-aerogel được điều chế bằng cách ngâm tẩm hydrogel với
dung dịch có chứa các ion của kim loại chuyển tiếp và chiếu tia gamma vào kết quả, làm
kết tủa các hạt nano của kim loại. Những vật liệu tổng hợp như vậy có thể được sử dụng
làm chất xúc tác, cảm biến, che chắn điện từ và xử lý chất thải. Một ứng dụng tiềm năng
của chất xúc tác bạch kim trên carbon là trong pin nhiên liệu.


4.4. Cách âm
Sóng âm bị hấp thụ đáng kể qua silica aerogel do đó làm giảm tốc độ lan truyền
xuống 100 m/s. Điều này là do modun Young cực thấp của chúng có liên quan đến sự
tổng hợp của aerogel, chính xác hơn là loại khí xen kẽ, áp suất và mật độ. Silica aerogel
hiện được công nhận là vật liệu đầy hứa hẹn cho các lớp kết hợp âm thanh của đầu dị siêu
âm trong khơng khí có độ nhạy cao để tăng cường sóng âm thanh trong khơng khí. Các thí
nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng các mật độ sol-gel khác nhau của các aerogel
để quan sát ảnh hưởng của tốc độ âm thanh qua các aerogel.
Silica aerogel có thể được sử dụng để cách âm, chẳng hạn như trên cửa sổ hoặc cho
mục đích xây dựng.
Silica aerogel có thể được sử dụng trong các thiết bị hình ảnh, quang học và dẫn
hướng ánh sáng.
4.4. Các ứng dụng du hành của Silica Aerogel
4.4.1. Cách nhiệt trên tàu thám hiểm sao Hỏa
Nhiệt độ khắc nghiệt của sao Hỏa, có thể dao động từ -220 °F (-140 °C) đến 70 °F
(+20 °C), có thể dẫn đến một số chênh lệch nhiệt độ khá nghiêm trọng và ứng suất nhiệt
gây ra trong các thiết bị điện tử nhạy cảm. Một phần nhờ vào khả năng cách điện ấn
tượng của silica aerogel, các thiết bị điện tử trên tàu thăm dị sao Hỏa sinh đơi, Spirit và
Opportunity, đã quản lý khá tốt trên Hành tinh Đỏ và hoạt động tốt hơn mong đợi về thiết
kế của chúng.
4.4.2. Chụp hạt siêu tốc

Hình 7: Các dấu vết bụi vũ trụ từ một sao chổi bị kẹt trong các khối aerogel từ
"Stardust".
Silica aerogel đã được sử dụng để bắt bụi vũ trụ, còn được gọi là bụi không gian.
NASA đã sử dụng một aerogel để bẫy các hạt bụi không gian trên tàu vũ trụ Stardust. Các
máy hút bụi aerogel này có khối lượng rất thấp. Các hạt bốc hơi khi va chạm với chất rắn
và đi qua chất khí, nhưng có thể bị giữ lại trong aerogel.
4.4.3. Ngăn chứa chất lỏng đông lạnh
Một vai trò nữa của silica aerogel là hoạt động như ngăn chất lỏng đông lạnh. Ý
tưởng này được đề xuất vào năm 2004 khi các kỹ sư đang thực hiện nhiệm vụ Kiểm tra vệ
tinh về Nguyên tắc Tương đương (STEP). Vệ tinh sẽ được gửi vào quỹ đạo trái đất để
thăm dò nền tảng cơ bản của lý thuyết Einstein, sự tương đương (cục bộ) của khối lượng
hấp dẫn và quán tính. Khối lượng thử nghiệm và máy dị được u cầu để duy trì sự ổn
định khỏi các nhiễu động như lực cản khơng khí, từ trường và áp suất mặt trời để có được
kết quả chính xác. Điều này có thể đạt được bằng cách đặt các dụng cụ đo lường trong
một Dewar có chứa helium lỏng được duy trì ở nhiệt độ đơng lạnh. Silica aerogel, có độ
xốp cao và là vật liệu khơng gian mở, được công nhận là một vật chứa tuyệt vời để lưu trữ
helium lỏng đồng thời ngăn chặn bất kỳ dịng chảy lớn nào xảy ra. Heli lỏng thốt ra khỏi
aerogel sẽ được hướng đến các máy đẩy của tàu vũ trụ trong thời gian thực hiện sứ mệnh.
Một thủy triều điều khiển aerogel được xây dựng cho hệ thống lưu trữ heli. Đầu tiên
aerogel được tạo hình trong các hình trụ hình khuyên được bao bọc xung quanh các hình
trụ bên trong là thiết bị. Sau đó, người ta đề nghị tạo hình aerogel thành nhiều phần, thành
hình thang, chứ khơng phải là một hình trụ hình khun để tạo điều kiện lắp ráp nó thành
bất kỳ cấu trúc mong muốn nào. Sự hiện diện của aerogel trong Dewar đã làm nảy sinh
một số nghi ngờ. Một trong số đó là liệu aerogel chứa đầy helium lỏng có tồn tại được
trong mơi trường rung động khi phóng hay khơng. Một cuộc kiểm tra đã được thực hiện
và cho thấy rằng khơng có dấu hiệu hư hỏng và xuống cấp. Mặc dù vậy, nhiệm vụ STEP
đã không được đưa ra; thay vào đó NASA đã chọn SMEX 2003. Tuy nhiên, công nghệ
này đã được áp dụng thành công trong sứ mệnh Gravity Probe B. Tuy nhiên, vẫn có một
viễn cảnh lạc quan về việc đưa aerogel vào STEP một ngày nào đó.

5. HẠN CHẾ
Chi phí sản xuất aerogel cao và do đó nó có thể khơng đủ khả năng chi trả cho sản
xuất quy mô nhỏ.
Aerogel mềm và nhẹ nên kém tính chất cơ học.
Aerogel được điều chế từ Hóa chất nên có thể ảnh hưởng đến Sức khỏe trong q
trình sản xuất.
Aerogel là vật liệu rất mềm nên rất khó để mở rộng tổng hợp thành các tấm lớn.
Silica aerogel bị phá hủy khi tiếp xúc với chất lỏng.
Khi vật liệu bắt giữ các hạt có vận tốc siêu tốc có thể là sự lan truyền vết nứt của
nó, cuối cùng có thể phá hủy tồn bộ mạng aerogel khi tiếp xúc trong một thời gian dài.
Sự tiếp tục của phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ sau khi tạo gel, dẫn đến
co rút gel, aerogel co ngót tuyến tính 10% gây ra bởi q trình đồng bộ hóa trong q
trình gel hóa và lão hóa.
Các aerogel dựa trên silica được biết đến là chất không gây ung thư. Tuy nhiên,
chúng là một chất gây kích ứng cơ học đối với mắt, da, đường hô hấp và hệ tiêu hóa.
Chúng cũng có thể gây khơ da, mắt và niêm mạc [17].