ما هو الهلام الهوائي؟

ولادة ايروجيل

في عام 1931، قام كيستلر بفصل السائل عن الصلب باستخدام تقنية التجفيف فوق الحرج الكحولي وحافظ على بنية الغاز من الانكماش والانهيار، مما أدى إلى ظهور الهلام الهوائي في العالم.

تعريف الهلام الهوائي
الهلام الهوائي عبارة عن مادة صلبة غير متبلورة خفيفة الوزن ذات مسامية نانوية تحتوي على جزيئات دقيقة بحجم النانو تتجمع مع بعضها البعض لتشكيل بنية شبكية مسامية بحجم النانو ومليئة بعدد كبير من وسائط التشتت الغازية في هيكل الشبكة.

الهلام الهوائي ليس مادةً وظيفية فحسب، بل هو أيضًا حالة جديدة للمادة. يختلف الهلام الهوائي اختلافًا جوهريًا عن حالات المادة الأخرى في العديد من الخصائص. فهو ذو حجم وشكل ثابتين كالمادة الصلبة، إلا أن كثافته الظاهرية تتراوح بين 1 غ/سم³ كحد أقصى و0.001 غ/سم³ (أقل من كثافة الهواء)؛ وفي الوقت نفسه، يتميز ببنية مسامية تشبه الإسفنج، مع خصائص متعددة تشمل الخصائص المجهرية (هيكل نانوي)، والعيانية (مادة مكثفة)، والميزوسكوبية (بنية متعددة المستويات وكسورية)، مما يجعله يتمتع بالعديد من الخصائص الفريدة. يتميز الهلام الهوائي بموصلية حرارية منخفضة جدًا، ومعامل مرونة منخفض جدًا، ومعدل فونون منخفض جدًا، ومعامل انكسار منخفض جدًا، وثابت عزل كهربائي منخفض جدًا، وسرعة صوت منخفضة جدًا، ومساحة سطح نوعية عالية، وتوزيع واسع جدًا للكثافة ومعامل الانكسار، وغيرها.

تصنيف الهلام الهوائي
هناك مجموعة واسعة من الهلاميات الهوائية، تغطي جميع أنظمة المواد تقريبًا. ويمكن تقسيمها عمومًا، وفقًا لتركيبها الكيميائي، إلى: عضوي، وغير عضوي، ومركب، وغيرها. كما يمكن تصنيف الهلاميات الهوائية إلى: سيليكون، وكربون، وكبريت، وأكسيد معدني، وأنظمة معدنية، وذلك وفقًا لمكوناتها الرئيسية.

حالة ودور الهلام الهوائي
يقول العلماء أن الهلام الهوائي سوف يغير العالم.

صُنف الهلام الهوائي كواحد من أهم 10 مواضيع علمية وتكنولوجية في العدد 250 من مجلة ساينس الأمريكية. في 20 أغسطس 2007، أفادت صحيفة التايمز أن الهلام الهوائي هو أخف مادة صلبة في العالم، إذ يتحمل قوة انفجار كيلوغرام واحد من الديناميت، ويحميك من حرارة موقد اللحام التي تزيد عن 1 درجة مئوية. ويستكشف العلماء استخدام الهلام الهوائي في كل شيء، بدءًا من بدلات الفضاء فائقة العزل، مرورًا بالمكثفات الفائقة، وصولًا إلى المحفزات، وصولًا إلى الجيل القادم من مضارب التنس. ويبشر الهلام الهوائي بمنافسة أجيال من المواد الأسطورية، مثل راتنج الفينولي من ثلاثينيات القرن الماضي، وألياف الكربون من ثمانينياته، والسيليكون من تسعينياته.

أُدرج الهلام الهوائي في موسوعة غينيس للأرقام القياسية عدة مرات كأخف مادة صلبة في العالم. يتميز الهلام الهوائي أيضًا بموصلية حرارية ومعامل انكسار منخفضين للغاية، كما أنه أكثر عزلًا بـ 39 مرة من أفضل ألياف الزجاج. وقد استُخدم الهلام الهوائي في العزل الحراري لمحطة مير الفضائية الروسية ومركبة باثفايندر الأمريكية لاستكشاف المريخ، ولعب دورًا حيويًا في صناعة الطيران والفضاء.

تاريخ تطوير الهلام الهوائي
في عام 1931، تم تحضير الهلام الهوائي لأول مرة بواسطة كيسلر في جامعة ستانفورد، الولايات المتحدة الأمريكية.
في عام 1985، تم تنظيم أول ندوة حول الهلام الهوائي، والمعروفة باسم ISA، من قبل معهد الفيزياء في جامعة فورتسبورغ، ألمانيا.
في عام 1993، تم استخدام المواد الهلامية الهوائية لعزل البدلات الفضائية والمركبات الفضائية والمكوكات الفضائية.
في عام 2002، تأسست شركة Aspen Aerogel، وهي شركة تابعة لوكالة ناسا، لتطوير وإنتاج الهلاميات الهوائية.
في عام 2004، أجريت أبحاث الهلام الهوائي بواسطة معاهد البحوث الصينية المحلية.
في عام 2006، بدأت شركات الهلام الهوائي المحلية في الصين بتطوير الهلام الهوائي.
في عام 2017، أصدرت الصين، GB/T 34336-201، منتجات عزل مركبة من الهلام الهوائي غير المسامي
في عام 2021، أصدر مجلس الدولة "خطة عمل للوصول إلى ذروة الكربون بحلول عام 2023" لتسريع البحث والتطوير في مجال ألياف الكربون والهلام الهوائي والصلب الخاص وغيرها من المواد الأساسية.

الخصائص الرئيسية للهلام الهوائي
(1) خفيف الوزن للغاية. يُعدّ الهلام الهوائي أقل مادة صلبة كثافة في العالم، حيث تبلغ كثافته الدنيا سدس كتلة الهواء. يتراوح نطاق تباين الكثافة عادةً بين 0.001 و1 غ/سم³.

(2) مسامية عالية ومساحة سطح نوعية عالية. تتراوح مساميته بين 80% و99.9%، ومساحته السطحية النوعية بين 200 و1000 متر مربع/جم، ويبلغ حجم المسام النموذجي بين 2 و1 نانومتر.

(3) عزل حراري فائق. يحدّ هيكل الشبكة النانوية الرفيع للهلام الهوائي بفعالية من انتشار الإثارة الحرارية الموضعية، كما أن موصليته الحرارية في الحالة الصلبة أقل بمقدار 2 إلى 3 مرات من موصلية المادة الزجاجية المقابلة.

مبدأ العزل الحراري بالهلام الهوائي
انخفاض النقل الحرارييُشكّل العدد اللانهائي من الجسيمات النانوية في الهلام الهوائي هيكلًا شبكيًا، ولا يمكن للحرارة أن تتدفق إلا عبر عدد لا نهائي من الجسيمات النانوية. لا يمكن نقل الحرارة إلا عبر عدد لا نهائي من الجسيمات النانوية، مما ينتج عنه مسار شبه لا نهائي لانتقال الحرارة في المادة الصلبة. يُقلّل انتقال الحرارة في المادة الصلبة إلى أدنى مستوى ممكن.

تثبيط الحمل الحراري : يبلغ متوسط ​​حجم المسام في الهلاميات الهوائية 20-40 نانومتر، وهو أصغر من متوسط ​​المدى الحر لجزيئات الغاز البالغ 69 نانومتر، وتفقد جزيئات الغاز في المسام قدرتها على الحركة بحرية، مما يجعل الحمل الحراري شبه مستحيل.

انخفاض الإشعاع الحراري : جدران المسام التي تشكلها الجسيمات النانوية في الهلاميات الهوائية هي دروع للأشعة تحت الحمراء، والعدد اللانهائي من الدروع يقلل بشكل كبير من الإشعاع الحراري.

(4) التحفيز. بفضل صغر حجم الجسيمات، وارتفاع مساحة السطح النوعية، وانخفاض كثافة الهلام الهوائي، يتمتع الهلام الهوائي بنشاط وانتقائية أعلى بكثير من المحفزات التقليدية، كما يتميز بتوزيع موحد للمكونات النشطة في الناقل، بالإضافة إلى ثبات حراري ممتاز، مما يقلل بشكل فعال من حدوث التفاعلات الجانبية.

(5) عزل الصوت. تجعل خصائص الهلام الهوائي المنخفضة لسرعة الصوت منه مادة مثالية لعزل التأخير الصوتي أو درجات الحرارة العالية. يتميز الهلام الهوائي بنطاق واسع من المعاوقة الصوتية [103 ~ 107 كجم/م²-ثانية]، مما يجعله مادة مثالية لربط المقاومة الصوتية في أجهزة الكشف بالموجات فوق الصوتية. تبلغ المقاومة الصوتية للسيراميك الكهرضغطي المستخدم في مولدات وأجهزة الكشف بالموجات فوق الصوتية 1.5 × 107 كجم/م²-ثانية، بينما تبلغ المقاومة الصوتية للهواء 400 كجم/م²-ثانية فقط. يمكن أن يؤدي استخدام هلام هوائي سيليكوني بسمك ربع طول موجي وكثافة حوالي 1 جم/سم³ كمادة ربط مقاومة صوتية بين السيراميك الكهرضغطي والهواء إلى زيادة شدة الصوت بمقدار 4 ديسيبل، وتحسين كفاءة نقل الموجات الصوتية، وتقليل نسبة الإشارة إلى الضوضاء في تطبيقات الأجهزة.

(6) أداء الترشيح. يمكن أيضًا استخدام الهلام الهوائي النانوي كنوع جديد من مواد ترشيح الغاز عالية الكفاءة. ونظرًا لمساحته السطحية النوعية الكبيرة للغاية، يُطلق العلماء على الهلام الهوائي اسم "الإسفنجات الفائقة"، وهو مثالي لامتصاص الملوثات في الماء، وامتصاص الرصاص والزئبق منه، مما يجعله مادة ممتازة للتعامل مع الكوارث البيئية.

(7) الخصائص البصرية. يتميز هلام ثاني أكسيد السيليكون النقي بأنه شفاف وعديم اللون، ومؤشر انكساره (1.006-1.06) قريب جدًا من مؤشر انكسار الهواء، مما يعني أن هلام ثاني أكسيد السيليكون لا يفقد تقريبًا أي انعكاس للضوء الساقط، وينقل ضوء الشمس بفعالية. لذلك، يمكن استخدامه في صناعة الزجاج العازل ومانع الضوضاء.

للحصول على مزيد من المعلومات أو ورقة البيانات الفنية وورقة بيانات سلامة المواد، يرجى الاتصال بنا عبر البريد الإلكتروني: [email protected] ، أو الاتصال بنا صوتيًا على الرقم: +86-28-8411-1861.

بعض الصور والنصوص مُستنسخة من الإنترنت، وحقوق الطبع والنشر محفوظة للمؤلف الأصلي. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.