एरोजेल क्या है?

एरोजेल का जन्म

1931 में, किस्टलर ने अल्कोहल युक्त सुपरक्रिटिकल सुखाने की तकनीक का उपयोग करके तरल को ठोस से अलग किया और गैस की संरचना को सिकुड़ने और ढहने से बचाया, जिसके परिणामस्वरूप दुनिया में एरोजेल का निर्माण हुआ।

एरोजेल की परिभाषा
एरोजेल एक हल्का नैनो-छिद्रित अनाकार ठोस पदार्थ है, जिसमें नैनोमीटर पैमाने के सूक्ष्म कण एक दूसरे के साथ मिलकर नैनोमीटर पैमाने के छिद्रित नेटवर्क संरचना बनाते हैं और नेटवर्क कंकाल में बड़ी संख्या में गैसीय फैलाव मीडिया से भरे होते हैं।

एरोजेल न केवल एक कार्यात्मक पदार्थ है, बल्कि पदार्थ की एक नई अवस्था भी है। एरोजेल अवस्था कई गुणों में पदार्थ की अन्य अवस्थाओं से मौलिक रूप से भिन्न होती है। इसका आकार और आकृति ठोस पदार्थ की तरह निश्चित होती है, फिर भी इसका स्पष्ट घनत्व अधिकतम 1 ग्राम/सेमी³ से लेकर 0.001 ग्राम/सेमी³ (हवा के घनत्व से कम) तक हो सकता है; साथ ही, इसमें सूक्ष्म (नैनो-स्केल कंकाल), मैक्रोस्कोपिक (संघनित पदार्थ) और मेसोस्कोपिक (बहु-स्तरीय और फ्रैक्टल संरचना) विशेषताओं के साथ एक स्पंज जैसी छिद्रपूर्ण संरचना होती है, जिससे एरोजेल में कई अद्वितीय गुण होते हैं। यह बहुत कम तापीय चालकता, बहुत कम लोच का मापांक, बहुत कम फोनन दर, बहुत कम अपवर्तनांक, कम परावैद्युत स्थिरांक, बहुत कम ध्वनि की गति, उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र, बहुत व्यापक घनत्व और अपवर्तनांक वितरण आदि प्रदर्शित करता है।

एरोजेल का वर्गीकरण
एरोजेल की एक विस्तृत श्रृंखला है, जो लगभग सभी भौतिक प्रणालियों को कवर करती है। आम तौर पर, रासायनिक संरचना के अनुसार, उन्हें कार्बनिक एरोजेल, अकार्बनिक एरोजेल और मिश्रित एरोजेल आदि में विभाजित किया जा सकता है। एरोजेल को उनके मुख्य घटकों के अनुसार सिलिकॉन, कार्बन, सल्फर, धातु ऑक्साइड और धातु प्रणालियों में भी वर्गीकृत किया जा सकता है।

एरोजेल की स्थिति और भूमिका
वैज्ञानिकों का कहना है कि एरोजेल दुनिया को बदल देंगे।

एरोजेल को अमेरिकी जर्नल साइंस के 10वें अंक में विज्ञान और प्रौद्योगिकी के शीर्ष 250 चर्चित मुद्दों में से एक के रूप में सूचीबद्ध किया गया था। 20 अगस्त 2007 को, द टाइम्स ने रिपोर्ट किया कि एरोजेल दुनिया का सबसे हल्का ठोस पदार्थ है जो 1 किलोग्राम डायनामाइट की विस्फोटक शक्ति का सामना कर सकता है और आपको 1300 डिग्री सेल्सियस से ऊपर ब्लोटॉर्च की गर्मी से बचा सकता है। वैज्ञानिक सुपर-इंसुलेटेड स्पेस सूट से लेकर सुपरकैपेसिटर, उत्प्रेरक से लेकर अगली पीढ़ी के टेनिस रैकेट तक हर चीज में एरोजेल के उपयोग की खोज कर रहे हैं। एरोजेल 1930 के दशक के फेनोलिक रेजिन, 1980 के दशक के कार्बन फाइबर और 1990 के दशक के सिलिकॉन जैसी दिग्गज सामग्रियों की पीढ़ियों को टक्कर देने का वादा करता है।

एरोजेल को दुनिया के सबसे हल्के ठोस पदार्थ के रूप में कई बार गिनीज बुक ऑफ वर्ल्ड रिकॉर्ड्स में सूचीबद्ध किया गया है। एरोजेल की तापीय चालकता और अपवर्तनांक भी बहुत कम है और यह सबसे अच्छे ग्लास फाइबर की तुलना में 39 गुना अधिक इन्सुलेट करता है। एरोजेल का उपयोग रूसी मीर अंतरिक्ष स्टेशन और अमेरिकी मार्स पाथफाइंडर रोवर को थर्मली इंसुलेट करने के लिए किया गया है, और इसने पहले ही एयरोस्पेस उद्योग में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है।

एरोजेल विकास का इतिहास
1931 में, एरोजेल पहली बार अमेरिका के स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में किस्टलर द्वारा तैयार किया गया था।
1985 में, एरोजेल्स पर पहली संगोष्ठी, जिसे ISA के नाम से जाना जाता है, जर्मनी के वुर्जबर्ग विश्वविद्यालय के भौतिकी संस्थान द्वारा आयोजित की गई थी।
1993 से, एरोजेल का उपयोग अंतरिक्ष सूट, अंतरिक्ष यान और अंतरिक्ष शटल को इन्सुलेट करने के लिए किया जाता है।
2002 में, एरोजेल के विकास और उत्पादन के लिए नासा की एक कंपनी एस्पेन एरोजेल की स्थापना की गई।
2004, घरेलू चीनी अनुसंधान संस्थानों द्वारा किया गया एरोजेल अनुसंधान।
2006 में, चीन में घरेलू एरोजेल कंपनियों ने एरोजेल विकसित करना शुरू किया।
2017, चीन ने जीबी/टी 34336-201, नॉनपोरस एरोजेल कम्पोजिट इंसुलेशन उत्पाद जारी किया
2021 में, राज्य परिषद ने कार्बन फाइबर, एरोजेल, विशेष स्टील और अन्य बुनियादी सामग्रियों के अनुसंधान और विकास में तेजी लाने पर "2023 तक कार्बन को चरम पर पहुंचाने के लिए कार्य योजना" जारी की।

एरोजेल के प्रमुख गुण
(1) अल्ट्रा-लाइट। एरोजेल दुनिया का सबसे कम घनत्व वाला ठोस पदार्थ है, जिसका न्यूनतम घनत्व हवा के द्रव्यमान का छठा हिस्सा है। घनत्व भिन्नता की सीमा आम तौर पर 0.001~1g/cmXNUMX होती है।

(2) उच्च छिद्रता और उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र। छिद्रता 80% ~ 99.9% है, विशिष्ट सतह क्षेत्र 200 ~ 1000m2 / g है, और छिद्रों का विशिष्ट आकार 1 ~ 100nm है।

(3) सुपर थर्मल इन्सुलेशन। एरोजेल की पतली नैनो-नेटवर्क संरचना स्थानीय थर्मल उत्तेजना के प्रसार को प्रभावी रूप से सीमित करती है, और इसकी ठोस-अवस्था थर्मल चालकता संबंधित ग्लासी सामग्री की तुलना में 2 ~ 3 ऑर्डर कम है।

एरोजेल थर्मल इन्सुलेशन का सिद्धांत
कम तापीय स्थानांतरणएरोजेल में नैनोकणों की अनंत संख्या एक जालीदार ढाँचा बनाती है, और ऊष्मा केवल नैनोकणों की अनंत संख्या के साथ ही प्रवाहित हो सकती है। ऊष्मा प्रवाह केवल नैनोकणों की अनंत संख्या के साथ ही संचालित किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप ठोस में ऊष्मा स्थानांतरण का लगभग अनंत पथ होता है। ठोस में ऊष्मा स्थानांतरण न्यूनतम संभव स्तर तक कम हो जाता है।

ऊष्मीय संवहन का अवरोध : एरोजेल के छिद्रों का औसत आकार 20-40 एनएम होता है, जो गैस अणुओं की औसत मुक्त सीमा 69 एनएम से छोटा होता है, और छिद्रों में गैस अणु स्वतंत्र रूप से घूमने की अपनी क्षमता खो देते हैं, जिससे संवहन लगभग असंभव हो जाता है।

कम तापीय विकिरण : एरोजेल में नैनोकणों द्वारा निर्मित छिद्रों की दीवारें अवरक्त ढाल का काम करती हैं, और इन अनगिनत ढालों के कारण तापीय विकिरण काफी कम हो जाता है।

(4) उत्प्रेरक। एरोजेल के छोटे कण आकार, उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र और कम घनत्व, एरोजेल उत्प्रेरक की गतिविधि और चयनात्मकता को पारंपरिक उत्प्रेरक की तुलना में बहुत अधिक बनाते हैं, और सक्रिय घटकों को वाहक में बहुत समान रूप से फैलाया जा सकता है, और इसमें उत्कृष्ट थर्मल स्थिरता भी होती है, जो प्रभावी रूप से साइड रिएक्शन की घटना को कम कर सकती है।

(5) ध्वनि इन्सुलेशन। एरोजेल के कम ध्वनि वेग गुण उन्हें ध्वनिक विलंब या उच्च तापमान ध्वनि इन्सुलेशन के लिए एक आदर्श सामग्री बनाते हैं। एरोजेल की ध्वनिक प्रतिबाधा की परिवर्तनीय सीमा बड़ी है [103 ~ 107 किग्रा/(㎡-s)], जो अल्ट्रासोनिक डिटेक्टरों के लिए एक अधिक आदर्श ध्वनिक प्रतिरोध युग्मन सामग्री है। अल्ट्रासोनिक जनरेटर और डिटेक्टरों के लिए उपयोग किए जाने वाले पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का ध्वनिक प्रतिरोध 1.5×107 किग्रा/(㎡-s) है, जबकि हवा का ध्वनिक प्रतिरोध केवल 400 किग्रा/(㎡-s) है। 1/4 तरंग दैर्ध्य की मोटाई और लगभग 0.3g/cm³ के घनत्व वाले सिलिकॉन एरोजेल का उपयोग पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक और हवा के बीच ध्वनिक प्रतिरोध युग्मन सामग्री के रूप में करने से ध्वनि की तीव्रता 30dB तक बढ़ सकती है, ध्वनिक तरंगों की संचरण दक्षता में सुधार हो सकता है और डिवाइस अनुप्रयोगों में सिग्नल-टू-शोर अनुपात कम हो सकता है।

(6) निस्पंदन प्रदर्शन। नैनोस्ट्रक्चर्ड एरोजेल का उपयोग एक नए प्रकार के अत्यधिक कुशल गैस निस्पंदन सामग्री के रूप में भी किया जा सकता है। अपने असाधारण रूप से बड़े विशिष्ट सतह क्षेत्र के कारण, एरोजेल को वैज्ञानिकों द्वारा "सुपर स्पॉन्ज" के रूप में संदर्भित किया जाता है और यह पानी में प्रदूषकों को सोखने, पानी से सीसा और पारा बाहर निकालने के लिए आदर्श है, जिससे वे पारिस्थितिक आपदाओं से निपटने के लिए एक उत्कृष्ट सामग्री बन जाते हैं।

(7) ऑप्टिकल गुण। शुद्ध SiO₂ एरोजेल पारदर्शी और रंगहीन होता है, और इसका अपवर्तनांक (1.006~1.06) हवा के बहुत करीब होता है, जिसका अर्थ है कि SiO₂ एरोजेल में घटना प्रकाश के लिए लगभग कोई परावर्तन हानि नहीं होती है और यह प्रभावी रूप से सूर्य के प्रकाश को संचारित कर सकता है। इसलिए, इसका उपयोग इन्सुलेशन और शोर कम करने वाले ग्लास बनाने के लिए किया जा सकता है।

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