Aerogel: Sự quyến rũ phi thường của một loại vật liệu kỳ diệu
Ở góc 650 độ, súng phun lửa tiếp tục phun lửa nhưng không thể đốt cháy lớp vỏ bìa cứng được phủ đặc biệt; Chỉ cách nhau một lớp màng, bàn tay ấn lên bàn nóng đủ nóng để “nướng” nhưng chỉ có thể cảm nhận được một chút hơi ấm; Nó tạo thành một "màng bảo vệ" vô hình trên tay khiến nước "bật" ngay lập tức... Tất cả những điều này giống như hiện tượng "ma thuật khoa học", tất cả đều từ một loại vật liệu mới đã nắm giữ hơn chục kỷ lục Guinness thế giới - aerogel.
Để giúp bạn cảm nhận trực quan hơn về sự kỳ diệu của aerogel, chúng ta hãy thực hiện một vài thí nghiệm so sánh. Đầu tiên, vật liệu aerogel có cùng độ dày và vật liệu cách nhiệt truyền thống (như bông khoáng, silicat, v.v.) được đặt trong hai buồng môi trường nhiệt độ cao giống hệt nhau, nhiệt độ được đặt ở mức 650 độ. Sự thay đổi nhiệt độ ở bên ngoài của hai vật liệu được theo dõi trong thời gian thực bằng cách sử dụng thiết bị chụp ảnh nhiệt trong cùng khoảng thời gian 1-giờ. Bạn sẽ thấy nhiệt độ bên ngoài của vật liệu truyền thống tăng lên nhanh chóng và không lâu sau sẽ xuất hiện biến dạng, khói, v.v., trong khi nhiệt độ bên ngoài của vật liệu aerogel hầu như không thay đổi đáng kể và luôn được giữ ở mức thấp. Điều này cho thấy đầy đủ rằng aerogel vượt xa các đặc tính cách nhiệt của vật liệu truyền thống.
Hãy nhìn vào sự tương phản giữa aerogel và các chất rắn thông thường (như kim loại, gỗ, v.v.). Nếu bạn chọn một miếng kim loại có thể tích tương đương với chăn cách nhiệt aerogel và cân riêng, bạn sẽ thấy trọng lượng của aerogel nhẹ hơn nhiều so với khối kim loại, điều này làm nổi bật đặc tính cực nhẹ của aerogel. Sau đó chúng được đặt đồng thời trên một tấm gia nhiệt đặt ở mức 200 độ. Trong quá trình đun nóng, hãy dùng nhiệt kế để đo xem nhiệt độ trên bề mặt của hai chất tăng nhanh như thế nào và kết quả sẽ khiến bạn ngạc nhiên. Nhiệt độ của bề mặt kim loại tăng lên nhanh chóng, trong khi nhiệt độ của bề mặt aerogel tăng rất chậm, điều này cho thấy khả năng cách nhiệt tuyệt vời của aerogel, trái ngược hoàn toàn, để bạn có thể cảm nhận được sự kỳ diệu của aerogel sâu sắc hơn.
Cầm súng phun lửa ở nhiệt độ lên tới 650 độ, nhắm vào một vỏ bìa cứng thông thường, ngay lập tức, vỏ giấy sẽ cháy, ngọn lửa sẽ lan nhanh và vỏ bìa cứng sẽ biến thành tro chỉ trong khoảng 20 giây.
Tuy nhiên, khi lớp vỏ bìa cứng được phủ một lớp mỏng "sơn ma thuật" trong suốt (tức là các sản phẩm liên quan đến aerogel) và đốt lại bằng súng lửa 650 độ thì tình hình lại hoàn toàn khác. Lần này, lớp vỏ bìa cứng không những không bốc cháy mà hầu như không còn dấu vết của ngọn lửa đang cháy, trên bề mặt chỉ để lại một lớp bột dạng hạt màu trắng. Nếu chạm vào mặt sau của tờ giấy, bạn sẽ không cảm nhận được sức nóng chút nào. Theo các nhân viên, trong môi trường nhiệt độ cao 650 độ, nó có thể chịu được cháy hơn 3 giờ mà không bị hư hỏng.
Trong thí nghiệm này, sức nóng của ngọn lửa đã cố gắng xâm chiếm lớp vỏ bìa cứng, nhưng lớp phủ aerogel hoạt động như một rào cản không thể phá hủy, ngăn nhiệt một cách tàn nhẫn. Vỏ bìa cứng có thể được bao quanh một cách an toàn bởi ngọn lửa, như thể có phép thuật, đây là minh chứng sống động cho đặc tính cách nhiệt tuyệt vời của aerogel.
“Phép thuật” thứ hai liên quan đến nước. Trong một bể chứa, một lớp "bột ma thuật" không tan chảy (các hạt aerogel) lơ lửng chắc chắn trên mặt nước. Phóng viên đưa tay xuyên qua lớp bột tới phía dưới, lập tức cảm thấy cả bàn tay đều ướt đẫm nước. Nhưng khi rút tay ra, anh kinh ngạc phát hiện trong đó không có một giọt nước nào. Sau đó, bàn tay này được đưa vào bể bơi khác nhiều lần, thậm chí được rửa trực tiếp bằng nước, và toàn bộ bàn tay dường như luôn được bao bọc trong một “màng bảo vệ” vô hình có thể “bật” hết nước.
Đặc tính chống thấm nước này của aerogel là do đặc tính bề mặt đặc biệt của nó. Cấu trúc vi mô của nó khiến các phân tử nước khó bám vào mà thay vào đó tạo thành những giọt nước rơi ra, giống như tác dụng tự làm sạch trên bề mặt lá sen.
Bạn có tin được bàn tay con người có thể chạm vào một vật ở nhiệt độ trên 100 độ mà không bị bỏng?
“Ma thuật” thứ ba tập trung vào “nhiệt”. Trên chiếc bàn nóng có thể làm nước lạnh sôi lên và bốc hơi ngay lập tức, trải một lớp “màng ma thuật” (giấy cách nhiệt aerogel), phóng viên hồi hộp ấn tay vào đó và ngạc nhiên thay, chỉ cảm thấy hơi ấm.
Công nghệ: Nghiên cứu và phát triển các phương pháp pha chế hàng đầu thế giới
Đằng sau những "sơn ma thuật", "bột ma thuật" và những "ma thuật" tuyệt vời khác, trên thực tế, là từ một loại Kỷ lục Guinness Thế giới với hơn 10 kỷ lục, và tạp chí Khoa học ca ngợi là "vật liệu kỳ diệu có thể thay đổi thế giới" - aerogel.
Một kỹ sư hỗ trợ ngành vật liệu mới của Coon nói với các phóng viên rằng aerogel là vật liệu rắn nhẹ nhất được biết đến trên thế giới hiện nay và nó cũng là vật liệu rắn tuyệt vời nhất thế giới với hiệu suất cách nhiệt và chống cháy.
Điều gì khiến aerogel trở nên tuyệt vời đến vậy? Người kỹ sư giải thích bằng cách ví von “kẹo bông”.
Các kỹ sư lưu ý rằng mối quan hệ giữa aerogel và cát (chủ yếu là silica) tương tự như mối quan hệ giữa kẹo dẻo và đường trắng. Đặc tính cách nhiệt và chống cháy của nó rất tuyệt vời do sự tồn tại của nhiều lỗ có kích thước nano trong cấu trúc phân tử của nó, với độ xốp hơn 95%. Những lỗ có kích thước nano này giống như một "mê cung cách nhiệt" trong thế giới vi mô, nơi nhiệt liên tục bị phản xạ và phân tán khi truyền đi, khiến cho việc dẫn nhiệt trở nên khó khăn, do đó độ dẫn nhiệt của aerogel cực kỳ thấp và nó có thể đạt được tác dụng cách nhiệt tương tự như chân không. "Các lỗ trên kẹo dẻo có thể nhìn thấy bằng mắt thường, trong khi các lỗ trên aerogel có kích thước nano, nhỏ hơn 1,{2}} lần so với đường kính của sợi tóc người."
Mặc dù có đặc tính tuyệt vời nhưng aerogel rất khó thu được.
Việc chuẩn bị aerogel truyền thống đòi hỏi phương pháp "chuẩn bị sấy siêu tới hạn", phải được chuẩn bị trong vài ngày dưới nhiệt độ và áp suất cao. Điều này dẫn đến nhiều vấn đề như chi phí đầu vào thiết bị cao, quy trình phức tạp, phát thải ô nhiễm nghiêm trọng, v.v. khiến giá thành sản xuất vẫn ở mức cao. Vì vậy, các sản phẩm aerogel chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực then chốt như hàng không vũ trụ.
Trước tình hình này, nhóm đổi mới do Xie Yi, viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và giáo sư Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc dẫn đầu, sau nhiều thập kỷ nỗ lực không ngừng nghỉ, đã độc lập phát triển phương pháp điều chế aerogel hàng đầu thế giới - " phương pháp sấy áp suất khí quyển aerogel bảo vệ môi trường". Phương pháp này có thể giảm đáng kể chi phí chuẩn bị aerogel, thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa các sản phẩm aerogel diễn ra suôn sẻ hơn và khiến chúng thực sự đi vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
Ứng dụng: Xây dựng “áo lửa”
Trong lĩnh vực xây dựng, việc ứng dụng aerogel đã đạt được những kết quả đáng ghi nhận. Ví dụ, trong một tòa nhà thương mại lớn, mức tiêu thụ năng lượng hàng năm cho việc làm mát và sưởi ấm là khá lớn khi không sử dụng vật liệu cách nhiệt aerogel và chi phí điện chiếm tỷ trọng đáng kể trong chi phí vận hành. Sau khi sửa đổi vật liệu cách nhiệt aerogel, thông qua giám sát và thống kê mức tiêu thụ năng lượng nghiêm ngặt, người ta thấy rằng mức tiêu thụ năng lượng hàng năm trong làm mát và sưởi ấm đã giảm đáng kể và chi phí điện tương ứng cũng giảm đáng kể.
Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn đáng kể so với các tòa nhà thương mại tương tự trong vùng lân cận không sử dụng vật liệu cách nhiệt aerogel và khả năng tiết kiệm năng lượng là điều hiển nhiên.
Điều này chủ yếu là do hiệu suất tuyệt vời của lớp phủ cách nhiệt tòa nhà aerogel. Nó chỉ cần một lớp phủ mỏng từ 2 đến 5 mm để đạt được hiệu ứng nhiệt độ không đổi của vật liệu cách nhiệt thông thường 40 đến 60 mm, từ đó giảm hơn 30% mức tiêu thụ năng lượng của căn phòng. Khả năng cách nhiệt hiệu quả cao này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí vận hành đáng kể cho chủ sở hữu công trình mà còn góp phần tích cực vào việc giảm mức tiêu thụ năng lượng chung trong ngành xây dựng trong bối cảnh toàn xã hội vận động tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.
Công ty TNHH Vật liệu mới Chiết Giang Runfew đã đóng một vai trò không thể thiếu trong quá trình này. Các sản phẩm dòng aerogel được phát triển cẩn thận của nó tiếp tục thổi sức sống mới vào lĩnh vực bảo tồn năng lượng tòa nhà, giúp nhiều tòa nhà đạt được hiệu quả cách nhiệt cao, tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ, đồng thời làm cho aerogel trở thành vật liệu kỳ diệu này có giá trị lớn hơn trong lĩnh vực xây dựng.