aerogel trong phòng thí nghiệm ở edmonton

Nghiên cứu và Phát triển Airgel tại Phòng thí nghiệm của Edmonton

Edmonton, Alberta, đã nổi lên như một trung tâm quan trọng cho nghiên cứu vật liệu tiên tiến, với công nghệ aerogel là trọng tâm nổi bật trong các phòng thí nghiệm công nghiệp và học thuật. Aerogel, thường được gọi là "khói đông lạnh" do vẻ ngoài thanh tao của họ, là những vật liệu rắn siêu nhẹ có nguồn gốc từ gel trong đó thành phần chất lỏng được thay thế bằng khí. Điều này dẫn đến một chất sở hữu những đặc tính đặc biệt: mật độ cực thấp, cách nhiệt vô song, độ xốp cao, và diện tích bề mặt bên trong rộng lớn. Các phòng thí nghiệm trên khắp Edmonton, chủ yếu tại Đại học Alberta và trong lĩnh vực công nghệ sạch đang phát triển của tỉnh, đang tích cực tiên phong trong các phương pháp tổng hợp mới, khám phá nguồn nguyên liệu bền vững (như cellulose từ phụ phẩm lâm nghiệp), và phát triển các ứng dụng thực tế cho các vật liệu nano này ở những khu vực quan trọng đối với Alberta và hơn thế nữa, chẳng hạn như hiệu quả năng lượng, Xử lý môi trường, và hàng không vũ trụ.

Những đổi mới trong tổng hợp và thành phần vật liệu

Phần lớn nghiên cứu địa phương nhằm mục đích vượt qua những thách thức aerogel truyền thống—cụ thể là tính dễ vỡ, độ hút ẩm (hấp thụ độ ẩm), và chi phí sản xuất cao—đồng thời nâng cao chức năng. Một lĩnh vực tiến bộ quan trọng là phát triển aerogel dựa trên sinh học từ các nguồn tài nguyên tái tạo.

Loại aerogel	Vật liệu cơ bản điển hình	Trọng tâm nghiên cứu chính trong Phòng thí nghiệm Edmonton	Lợi thế tiềm năng
Silica Aerogel	Silicon alkoxit	Gia cố cơ khí (tạo ra vật liệu tổng hợp linh hoạt), giảm độ giòn.	Duy trì khả năng cách nhiệt tuyệt vời; cải thiện độ bền cho các ứng dụng xây dựng.
Aerogel polyme	Các polyme hữu cơ khác nhau	Điều chỉnh cấu trúc hóa học để có độ hấp thụ hoặc độ đàn hồi cụ thể.	Tính chất cơ học đa dạng; sử dụng trong lọc.
Aerogel dựa trên sinh học (VÍ DỤ., Cellulose)	Cellulose tinh thể nano (NCC), chất gỗ	Sử dụng dòng chất thải nông nghiệp/lâm nghiệp của Alberta làm nguyên liệu chi phí thấp.	Bền vững, phân hủy sinh học, thường bền cơ học hơn silica.
Khí carbon	Resorcinol-formaldehyde hoặc tiền chất sinh khối	Tối ưu hóa độ dẫn điện cho các thiết bị lưu trữ năng lượng (siêu tụ điện).	Độ dẫn điện cao; ứng dụng trong điện cực.

Một dự án đáng chú ý liên quan đến việc tạo ra các aerogel lai kết hợp silica với sợi nano xenlulo. Cách tiếp cận này tìm cách kết hợp chất lượng cách điện tối ưu của silica với độ bền cơ học được nâng cao và tính bền vững của các thành phần có nguồn gốc từ cellulose..

Nghiên cứu trường hợp ứng dụng trong thế giới thực: Khắc phục sự cố tràn dầu

Một ví dụ thuyết phục về nghiên cứu aerogel ứng dụng từ phòng thí nghiệm Edmonton nhằm giải quyết vấn đề làm sạch môi trường. Các nhà nghiên cứu đã phát triển các aerogel gốc cellulose kỵ nước và ưa dầu được thiết kế đặc biệt để tách dầu-nước. Trong một trường hợp có tài liệu (đăng trên các tạp chí như Vật liệu ứng dụng ACS & giao diện), một nhóm đã tạo ra một loại aerogel siêu nhẹ từ sợi giấy tái chế và các tác nhân kỵ nước cụ thể.

Quá trình liên quan:

1. Tạo gel từ sợi xenlulo đã qua xử lý hóa học.
2. Sử dụng trao đổi dung môi và sấy CO₂ siêu tới hạn—một kỹ thuật có sẵn ở một số phòng thí nghiệm kỹ thuật của UAlberta—để loại bỏ tất cả chất lỏng mà không làm hỏng cấu trúc nano mỏng manh.
3. Aerogel thu được đã chứng tỏ khả năng đặc biệt trong việc hấp thụ có chọn lọc dầu thô và dung môi hữu cơ từ bề mặt nước với công suất gấp nhiều lần trọng lượng của chính nó..
4. Dầu hấp thụ có thể được thu hồi thông qua quá trình ép cơ học, cho phép tái sử dụng cả dầu và chất hấp thụ aerogel.

Trường hợp này trực tiếp giải quyết một thách thức môi trường có liên quan đến khu vực đồng thời cho thấy cách các dòng chất thải địa phương có thể được biến đổi thành vật liệu xử lý hiệu suất cao.

---

Câu hỏi thường gặp (Câu hỏi thường gặp)

1. Điều gì làm cho aerogel trở thành chất cách điện hiệu quả như vậy?
Khả năng cách điện của chúng bắt nguồn từ cấu trúc nano của chúng: một mạng lưới xốp ở trên 90% thể tích là không khí. Điều này hạn chế đáng kể cả ba phương thức truyền nhiệt – dẫn nhiệt (ma trận rắn là tối thiểu), sự đối lưu (lỗ chân lông quá nhỏ cho dòng không khí), và bức xạ (có thể được giảm nhẹ bằng chất làm mờ). Aerogel silic có thể có độ dẫn nhiệt thấp hơn không khí tù đọng.

2. Tại sao aerogel không được sử dụng ở mọi nơi nếu chúng rất tốt?
Về mặt lịch sử, chi phí và tính dễ vỡ đã là những rào cản lớn. Sản xuất truyền thống liên quan đến tiền chất đắt tiền và quy trình sấy tiêu tốn nhiều năng lượng (sấy siêu tới hạn). Mặc dù vẫn đắt hơn so với vật liệu cách nhiệt thông thường như sợi thủy tinh hoặc xốp, nghiên cứu đang diễn ra ở Edmonton và trên toàn cầu về sấy áp suất xung quanh và tiền chất dựa trên sinh học đang tích cực hoạt động để giảm chi phí và cải thiện khả năng sản xuất cho các ứng dụng số lượng lớn.

3. Aerogel có an toàn để xử lý không?
Ở dạng nguyên khối của chúng, hầu hết các aerogel tổng hợp đều trơ và không độc hại. Tuy nhiên, aerogel silica truyền thống có thể rất giòn và tạo ra bụi mịn nếu bị vỡ vụn, yêu cầu bảo vệ hô hấp dạng hạt tiêu chuẩn trong quá trình xử lý trong phòng thí nghiệm hoặc cơ sở chế tạo. Các aerogel tổng hợp và dựa trên sinh học mới đang được phát triển nhằm mục đích mạnh mẽ hơn và an toàn hơn khi xử lý.

4 . Edmonton đặc biệt phù hợp với loại nghiên cứu này như thế nào?
Edmonton được hưởng lợi từ sự hội tụ mạnh mẽ của nhiều yếu tố: các chương trình kỹ thuật và hóa học đẳng cấp thế giới tại Đại học Alberta cung cấp nghiên cứu cơ bản; chuyên môn cấp tỉnh trong các ngành khai thác tài nguyên tạo ra cả hai thách thức (Môi trường) và cơ hội cung cấp nguyên liệu (sản phẩm phụ); điều chỉnh các ưu tiên đổi mới cấp tỉnh trong lĩnh vực công nghệ sạch; các cơ sở chuyên dụng như nanoFAB để mô tả đặc tính; thiết bị sấy CO2 siêu tới hạn phổ biến ở cả phòng thí nghiệm của trường đại học do nghiên cứu năng lượng kế thừa.

5 . Ứng dụng quy mô lớn có khả năng nhất cho aerogel được phát triển ở đây là gì?
Vật liệu cách nhiệt của tòa nhà là mục tiêu hàng đầu do tác động tiềm năng thị trường to lớn của nó đến hiệu quả sử dụng năng lượng. Vật liệu tổng hợp Bio-aerogel mang lại khả năng cách nhiệt vượt trội với độ ổn định độ ẩm chống cháy được cải thiện,và hàm lượng carbon thấp hơn so với bọt tổng hợp thuần túy là trọng tâm. Việc tích hợp vào các bộ kính cách nhiệt hoặc như các tấm trang bị thêm bên trong đang được tích cực nghiên cứu