Аэрогель начинается как тонкая трехмерная платформа кластеров молекул, соединенных в жидком носителе. Жидкость помогает поддержать платформу и содержит кластеры на месте.Соединенные кластеры создают эластичную молекулярную петлю, содержащую тысячи открытых пор, заполненных жидкостью, подобной влажной губке.
Чтобы создать аэрогель, жидкость должна быть удалена тщательно из петли. Под нормальными условиями капиллярные давления, сгенерированные испарением жидкости, заставляют платформу выходить из строя на себе.Поскольку внутренние стены геля сжимают вместе, реактивные молекулы постоянно связь, оставляя сжатый полупористый гель, который является частью его исходного объема.
Кварцевый аэрогель – самый известный и наиболее широко готовый аэрогель. Упрощенный кварцевый рецепт аэрогеля, согласно Научно-исследовательской лаборатории Аэрогеля в Университете Виргинии, начинается, комбинируя основанное на кварце решение с 200-защищенным этанолом, гидроксидом аммония, и водой, которые формируют вещество подобное желе, названное алкогель. Алкогель тогда впитывается в этаноле, долго достаточном, чтобы извлечь воду из алкогель. Как только большая часть воды была заменена алкоголем, алкогель готов быть суперкритический высушенным, процесс, который удаляет жидкость из микроструктуры алкогель. алкогель помещается в барокамеру, которая заполнена углекислым газом. Когда CO2 заменяет алкоголь, камера нагревается и герметизируется в суперкритическом процессе высыхания. Когда это возвращается к комнатной температуре и стандартному давлению, процесс заканчивается, и аэрогель – результат.
Типичный аэрогель – твердая пена, состоящая из 5-процентного кварца (SiO2 или общий песок) и 95 процентов заполненные эфиром поры. И поры и их свойства меньше чем длина волны света (меньше чем 100 миллиардных частей метра).Кварцевые частицы 2 к нм в диаметре; поры приблизительно 20 нм шириной. Уникальная микроструктура размера аэрогелей-нанометром ячеек, пор, и средств частиц низкая тепловая проводимость. Некоторые кварцевые аэрогели содержат всего кварц на 0.13 процента, с остатком (99.87 процентов), являющихся эфиром.
Оптические свойства кварцевых аэрогелей лучше всего описываются как “прозрачные” и таким образом считаются наиболее вероятными для приложений окна в крыше или окна. Это может казаться очевидным, так как кварцевые аэрогели делаются из того же самого материала как стекло, но действительно имеют те же самые оптические характеристики. В то время как удаленные объекты могут быть просмотрены через несколько сантиметров кварцевого аэрогеля, материал выводит на экран небольшой синеватый туман, когда освещенная часть просматривается против темного фона и немного окрашивает в красный цвет пропущенный свет.Этот синий цвет является результатом присутствия больших пор, сформированных во время gellation, и гипотезы, в настоящий момент протестированной новыми центрами NASA на том, могут ли более универсальное и поэтому прозрачный гель быть сделаны в пространстве. Так как у аэрогеля есть эквивалентное тепловое изоляционное качество 10 – 20 стеклянных оконных стекол, сохраняющие энергию эффекты замены окна аэрогеля были бы значительно более низкие счета за отопление, особенно в северных климатах.
Передача тепловой проводимости через твердую часть аэрогеля ограничивается маленькими соединениями между частицами, составляющими путь проводимости. Газообразная проводимость ограничивается, потому что ячейки/поры – только размер среднего свободного пути для молекулярных молекул коллизий, сталкиваются с твердой сетью так часто, как они сталкиваются друг с другом. Излучающая проводимость низка, потому что у аэрогелей есть маленькие массовые части и большие площади поверхности – хотя проводимость увеличивается с температурой.
Аэрогели в частичном вакууме – еще лучшие изоляторы, потому что удаление большей части эфира от их пор устраняет половину к двум третям теплопроводности материала (часть из-за газовой проводимости). У кварцевого аэрогеля в 90-процентном вакууме, который просто и недорого производится, есть тепловое сопротивление R-20 на дюйм. Таким образом у 1 в массивном окне аэрогеля есть то же самое тепловое сопротивление как окно с 10 двойными оконными стеклами. Исследователи LBNL улучшили производительность до R-32 на дюйм, добавляя углерод, чтобы поглотить инфракрасное излучение в материале, другом механизме теплопередачи.Углеродистые аэрогели – изменение чрезвычайно легких кварцевых аэрогелей. Углеродистый аэрогель делается, нагревая полимерный аэрогель в вакууме или инертном газе (иначе, это будет окисляться или гореть). Углеродистый аэрогель – также хороший изолятор, но является очень черным, таким образом, он должен использоваться в приложениях, где прозрачность не необходима. Более жесткий и более сильный чем кварцевые аэрогели, углеродистые аэрогели являются электрически проводящими.
Усовершенствованные тонкопленочные углеродистые электроды аэрогеля были разработаны в Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) в 1993, запатентованы в 1995, и теперь производятся коммерчески.Углеродистые аэрогели были только что недавно синтезированы и представляют первый электрически проводящий аэрогель. Это свойство, в комбинации с высокой площадью поверхности, управляемым размером поры, и высокой чистотой, приводит к новым электрохимическим приложениям для этих уникальных материалов.Органические аэрогели более жестки и более сильны чем кварцевые аэрогели и являются в известной мере лучшими изоляторами. У них есть чрезвычайно высокое тепловое сопротивление в шесть раз больше сопротивления чем стекловолоконная изоляция.