密度が空気よりも低いので、保温・断熱効果の高い魔法のアイテムです！

人類の歴史の発展の過程において、新素材の発見と発明は人類の文明を促進する上で重要な役割を果たしてきました。現在、人類の歴史を区分する大まかな方法​​は、物質の名称に従って、石器時代、青銅器時代、鉄器時代と区分することです。

20 世紀初頭以来、人類の科学技術の急速な発展により、新しい素材が次々と登場してきました。最近、ある素材が 15 個の「世界記録」を樹立しました。その最も素晴らしい性能は超軽量と断熱性であり、そのため様々な産業分野で驚くべき応用可能性を示しています。この材料はエアロゲルです。

シリカエアロゲル（画像出典：Wikipedia）

エアロゲルの最も重要な用途の 1 つは航空宇宙分野です。 2021年、火星探査車「珠容」が火星に着陸した際、「氷と火」の試練を経験した。ローバーの着陸段階では、エンジンから発生した熱により周囲の温度が 1000°C を超えました。巡回期間中、探査車は-130℃の環境で作業しなければなりませんでした。研究者たちは、このような過酷な環境から火星探査車を保護するために、探査車の表面に広範囲のエアロゲルパネルを敷いた。このような優れた性能もエアロゲル材料の優れた点です。

最も軽い固体、エアロゲル

エアロゲルは密度が非常に低い固体材料です。密度が非常に低いため、「凍った煙」「固体空気」「青い煙」などとも呼ばれ、細孔にガスが詰まったナノスケールの多孔質構造ゲルです。極めて低密度、高透明性、優れた断熱性能といった特徴を持っています。

ではエアロゲルはどのように作られるのでしょうか?これを得るには、まずウェットゲル（子供の頃によく食べていたゼリーが一般的なウェットゲルです）を用意し、形が変わらないようにしながら中の溶媒をすべて抽出すると、エアロゲルが得られます。 **もちろん、最も難しいのは、液体を除去して固体の骨格だけを残す方法です。

エアロゲルとウェットゲル（画像提供：著者）

1931 年、カリフォルニア州パシフィック大学のキスラー教授が超臨界乾燥技術を初めて使用し、人類史上初めて記録されたエアロゲルを製造しました。この技術の鍵は、超臨界流体の独特な特性にあります。溶媒が特定の温度と圧力で液体と気体の間の臨界点に達すると、超臨界流体になります。超臨界状態の溶媒には明らかな表面張力がないため、ゲルは乾燥プロセス中に完全な骨格構造を維持することができます。

超臨界乾燥は、乾燥媒体の臨界圧力と臨界温度の条件下で乾燥プロセス全体を実行する技術的な手段です。通常、湿ったゲルは最初に高圧容器に入れられます。超臨界状態下では、媒体流体（通常は二酸化炭素）が乾燥対象物の内部に浸透し、溶媒分子と穏やかかつ迅速に交換して溶媒を置き換え、その後、動作パラメータを変更して流体を超臨界状態から気体状態に変え、乾燥した原料から放出します。溶媒は気液相分離がないので、ゲルの構造を破壊することなくゲルの細孔から非常に穏やかに抜け出すことができ、乾燥効果が得られます。

エアロゲルは多孔質スポンジに似た三次元ネットワーク構造を持ちますが、スポンジの気孔は肉眼で見えるのに対し、エアロゲルの気孔構造はナノメートルサイズです。現在製造されているエアロゲルの多孔度は一般に 80% ～ 99.8% で、典型的な細孔サイズは 50 nm の範囲です。他の物質よりも密度が低く、真空中の空気よりもさらに密度が低いです。最も軽いエアロゲルを開花した花に付けると、雄しべは曲がりません。

中国の科学者らは最近、グラフェンとカーボンナノチューブを含む水溶液を使って全炭素エアロゲルを作製することに成功した。現在、世界で最も密度の低い固体材料です。このエアロゲルの密度は 0.16 mg/cm3 で、空気の密度のわずか 1/6 です。エアロゲルは3次元ナノスケルトン構造も有し、異方性の3次元ネットワーク接続により高い弾性を確保します。このため、大きな圧力にも耐えることができ、損傷することはありません。

さまざまなエアロゲルの顕微鏡的特性（画像提供：著者）

エアロゲルはどのように断熱するのでしょうか? 3つの武器

エアロゲルがどのように断熱するかを理解するには、まず中学校の物理の知識である熱伝達について復習する必要があります。熱伝達には対流、放射、伝導の3つの方法があります。

熱対流は流体内で発生し、熱い粒子が流れる媒体を通じて空間内のある場所から別の場所へ熱エネルギーを伝達する現象です。熱放射とは、温度を持った物体が電磁波を放射する現象です。温度が高くなるほど、放射される電磁波のエネルギーも高くなります。熱伝導では、物体内の粒子が互いに衝突し、熱が高温領域から低温領域に伝達されます。

熱伝達の3つのメカニズム 画像出典: Wikipedia

エアロゲル断熱材はこれら 3 つの側面から始まります。その独自の構造により、次の 3 つの断熱「武器」を備えることができます。

「ゼロ対流」効果：熱伝導は主にガス分子の連続的な衝突を通じてエネルギーを伝達します。科学的には、気体分子が周囲の分子と衝突せずに移動できる距離を分子自由行程と呼びます。空気の平均自由行程は70 nmです。エアロゲル内部の平均細孔サイズは約 20 ～ 50 nm で、これは空気の自由行程よりもはるかに小さいです。そのため、対流熱伝達は非常に小さくなり、ガス熱伝導は大幅に減少します。

「無限熱バッフル」効果：エアロゲルの細孔サイズはナノメートルレベルです。気孔はたくさんあるのですが、互い違いに並んでいるため「貫通穴」ができあがりません。無限の細孔壁は熱シールドと同等であり、熱放射によって伝導される熱を最小限に抑えます。特殊な放射線防止素材と組み合わせることで、より効果的に放射線の熱伝達を遮断することができます。

「無限経路」効果：熱は穴に沿ってのみ伝達されます。穴の数が無限にあると熱伝達経路が無限に長くなり、伝達される熱は最小になる傾向があります。エアロゲル素材を熱を遮断するために使用すると、その細い骨格により熱伝導が非常に困難になり、これは熱が三次元ネットワーク上の狭い経路に沿って迷路を歩くのと同じです。多数のナノ細孔は独立した部屋のように機能し、個々のガス分子を閉じ込めてガス分子が流れたり互いに接触したりすることを防ぎ、対流による熱伝達を排除します。

火炎銃を使用してエアロゲルを加熱すると、その上に置かれたクレヨンは溶けず、エアロゲルの優れた断熱能力が示されます（画像提供：NASA）

エアロゲルは何に使用できますか?ちょっと考えてみてください！

エアロゲルは、元の SiO2 エアロゲルから巨大なエアロゲル ファミリーへと発展しました。エアロゲル材料は、その成分に応じて、単一成分エアロゲルと多成分エアロゲルに分けられます。単一成分のゲルには、酸化物エアロゲル、炭化物エアロゲル、その他のタイプのエアロゲルが含まれますが、多成分エアロゲルは、2 つ以上の単一成分エアロゲルから構成されるか、繊維、ウィスカー、ナノチューブなどで強化されたエアロゲル複合材料を指します。

エアロゲルは連続した三次元ネットワーク構造を持ち、熱、機械、音響、光学、電気、吸着などの面で独特な特性を示し、さまざまな分野で幅広い応用が期待されています。

その中でも最も注目を集めているのが航空宇宙分野です。高多孔性、高比表面積、低密度、良好な断熱性能など、優れた物理的・化学的特性により、長征ロケットシリーズ、火星探査車、宇宙服などに使用されています。

（画像出典：著者）

最近、浙江大学の研究チームが発明した、ダウンジャケットよりも暖かいという「ホッキョクグマセーター」がトップ雑誌「サイエンス」で取り上げられた。科学者たちはホッキョクグマの毛の多孔質構造を模倣し、複合弾性熱可塑性材料を使用してエアロゲルを包み込んだ超保温人工繊維を作製し、実際に温かいエアロゲルを体に着用する機能を実現しました。

しかし、冬が到来すると、市場の多くの企業が自社の衣類に「エアロゲル」というラベルを付け、寒さを防ぐ能力があると主張していますが、実際の断熱性能は期待ほど良くないことがよくあることに注意する必要があります。主な理由は、エアロゲルの本質的な脆さです。現在販売されている「エアロゲル」防寒衣料は、いずれも生地にエアロゲル粒子を混ぜ込んでいるが、生地の隙間から熱が伝わりやすく、保温効果は期待を大きく下回り、通常のダウンジャケットよりもさらに劣っている。さらに、洗濯機で洗えない、湿気の多い環境では断熱性が低下しやすいなど、さまざまな問題があります。それで、現在の「エアロゲルダウンジャケット」がお金の無駄であるかどうかが分かります。

また、吸着・分離の面でも、エアロゲルはスポンジと内部構造が似ているため、強力な吸着能力を持っています。 「カーボンスポンジ」は、自由に形状を調整でき、弾力性に優れています。 80%圧縮されても元の形状に戻ります。全炭素エアロゲルは、自重の最大 900 倍の油を吸収できます。毎年、海面上で大量の原油汚染が発生し、処理しきれない状況になっています。そのため、将来的には油を吸収するための道具を作るのに使えるかもしれません。

さらに、エアロゲルは電気や化学の分野でも重要な用途があります。多孔質炭素エアロゲルの 3 次元ネットワーク構造は、電荷輸送用の高性能導電チャネルを形成できるだけでなく、さまざまな有機または無機活性材料をドーピングまたはコーティングするための骨格としても機能します。化学生産における触媒固定床として使用すると、触媒反応面積が大幅に増加し、化学反応速度が向上します。

最後に、エアロゲルは多孔性、生体適合性、生分解性が高いため、医療分野で広く使用されています。

エアロゲルの応用分野（画像提供：著者）

もちろん、エアロゲルの分野はまだ十分に成熟しておらず、多くの研究作業を行う必要があります。例えば、エージング（液体凝固処理）プロセス中にゲルに生じる物理的および化学的変化は明確ではなく、さまざまな調製パラメータがその特性に与える影響はさらに調査する必要があり、可塑性は強くありません。しかし、将来、この魔法の素材であるエアロゲルが、人類にとってより健康的で、よりスマートで、より信頼できる、より良い生活環境を作り出すだろうと私は信じています。

参考文献:

[1] ピエールAC、パジョンクGM。エアロゲルの化学とその応用 [J]。ケミカルレビュー、2002、102：42434265。

[2] BLASZCZYNSKI T、SLOSARCZYK A、MORAWSKI M. 超臨界乾燥法によるシリカエアロゲルの合成[J]。プロセディアエンジニア、2013、57: 200206。

[3] BAG S、KANATZIDIS MG。カルコゲル：主族金属イオンからの多孔質金属カルコゲニドネットワーク。表面分極率がガス分離の選択性に与える影響 [J]。アメリカ化学会誌、2010年、132: 1495114959

[4] 張 婷、趙 春林、他「エアロゲルの研究の進歩」、先端セラミックス、1005-1198 (2018) 01-0001-39

著者: 王震

著者所属：中国科学院合肥物理科学研究所固体物理研究所

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