Thảo Nông
Writer
Khi nghĩ đến việc tạo ra vật liệu rắn nhẹ nhất, người ta thường nghĩ ngay đến các nguyên tố nhẹ như hydro hay liti. Nhưng thiên nhiên lại cho thấy một con đường khác hiệu quả hơn: tạo ra thật nhiều khoảng trống chứa không khí bên trong vật liệu, giống như đá bọt (pumice) phun ra từ núi lửa có thể nổi trên mặt nước dù cấu tạo từ khoáng chất nặng. Con người đã học hỏi và đẩy ý tưởng này đi xa hơn nhiều với việc tạo ra Aerogel – chất rắn nhẹ nhất thế giới, một vật liệu kỳ diệu mà hơn 99% thể tích của nó thực chất là không khí.
Những điểm chính
Aerogel đôi khi được ví như "khói rắn", "khói đông lạnh" hay "không khí rắn" vì vẻ ngoài mờ ảo và trọng lượng siêu nhẹ của nó. Về cơ bản, aerogel được tạo ra từ một chất gel ban đầu (như gel silica), sau đó phần chất lỏng bên trong cấu trúc gel bị loại bỏ một cách cẩn thận và thay thế bằng khí (thường là không khí).
Nghe có vẻ đơn giản, nhưng quá trình này đòi hỏi kỹ thuật cao để giữ cho cấu trúc rắn mỏng manh của gel không bị sụp đổ khi chất lỏng được rút ra. Phương pháp phổ biến nhất là sấy siêu tới hạn (supercritical drying), được nhà hóa học người Mỹ Samuel Stephens Kistler phát minh vào năm 1931. Câu chuyện kể lại rằng ý tưởng này nảy sinh từ một vụ cá cược vui giữa Kistler và đồng nghiệp Charles Learned về việc liệu có thể lấy chất lỏng ra khỏi một lọ thạch (jelly) mà không làm nó bị co lại hay không. Kistler đã thắng cược bằng cách tăng nhiệt độ và áp suất để đưa chất lỏng vào trạng thái "siêu tới hạn" (không còn phân biệt rõ lỏng-khí), sau đó giảm áp suất đột ngột để chất lỏng bay hơi mà không gây ra sức căng bề mặt làm sập cấu trúc rắn còn lại.
Gần một thế kỷ sau phát minh của Kistler, công nghệ sản xuất aerogel đã được hoàn thiện đáng kể. Các nhà khoa học có thể tạo ra aerogel từ nhiều vật liệu khác nhau, từ silica (phổ biến nhất, tạo ra aerogel trong suốt màu xanh lam nhạt), oxit kim loại, polyme, carbon, đến cả vàng hay graphene. Kỷ lục Guinness Thế giới cho chất rắn ít đặc nhất (nhẹ nhất) hiện thuộc về aerographene (aerogel làm từ graphene), được nhóm nghiên cứu tại Đại học Chiết Giang (Trung Quốc) tạo ra năm 2013 với khối lượng riêng chỉ 0,16 miligam trên mỗi centimet khối (0,16 mg/cm³).
Ngoài trọng lượng siêu nhẹ, aerogel còn sở hữu những đặc tính phi thường khác, đặc biệt là khả năng cách nhiệt và cách âm tuyệt vời. Bên trong cấu trúc aerogel là vô số túi khí siêu nhỏ (kích thước nano), nhỏ đến mức các phân tử khí bên trong gần như không thể chuyển động và truyền nhiệt qua đối lưu. Đồng thời, bản thân cấu trúc rắn dạng mạng lưới cũng hạn chế tối đa sự dẫn nhiệt. Sự kết hợp này biến aerogel thành một trong những vật liệu cách nhiệt tốt nhất mà con người từng biết, có thể chịu được nhiệt độ cực cao mà không bị biến dạng hay truyền nhiệt (như hình ảnh bảo vệ bông hoa khỏi đèn khò).
Nhờ những đặc tính độc đáo này, aerogel có rất nhiều ứng dụng tiềm năng:
Từ một ý tưởng nảy sinh từ vụ cá cược về lọ thạch, aerogel đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu vật liệu tiên tiến đầy hứa hẹn. Khả năng kiểm soát cấu trúc vật chất ở cấp độ nano để tạo ra những đặc tính vĩ mô phi thường như aerogel cho thấy tiềm năng to lớn của khoa học vật liệu trong việc giải quyết các thách thức từ đời sống đến chinh phục vũ trụ.
Những điểm chính
- Aerogel là chất rắn nhân tạo siêu nhẹ, được mệnh danh là "khói rắn", với cấu trúc hơn 99% thể tích là không khí.
- Nó được tạo ra bằng cách thay thế thành phần lỏng trong gel bằng khí thông qua phương pháp sấy siêu tới hạn, do nhà hóa học Samuel Kistler phát minh năm 1931 (từ một vụ cá cược).
- Aerogel giữ kỷ lục chất rắn nhẹ nhất thế giới (aerographene, 0.16 mg/cm³) và là một trong những chất cách nhiệt, cách âm tốt nhất từng được biết đến nhờ cấu trúc xốp nano độc đáo.
- Aerogel có thể được tạo ra từ nhiều vật liệu khác nhau (silica, carbon, vàng...) cho các ứng dụng đa dạng.
- Ứng dụng nổi bật bao gồm việc được NASA dùng để thu thập bụi vũ trụ và tiềm năng làm vật liệu xây dựng mái vòm cho các căn cứ trên Sao Hỏa trong tương lai.
Aerogel đôi khi được ví như "khói rắn", "khói đông lạnh" hay "không khí rắn" vì vẻ ngoài mờ ảo và trọng lượng siêu nhẹ của nó. Về cơ bản, aerogel được tạo ra từ một chất gel ban đầu (như gel silica), sau đó phần chất lỏng bên trong cấu trúc gel bị loại bỏ một cách cẩn thận và thay thế bằng khí (thường là không khí).
Nghe có vẻ đơn giản, nhưng quá trình này đòi hỏi kỹ thuật cao để giữ cho cấu trúc rắn mỏng manh của gel không bị sụp đổ khi chất lỏng được rút ra. Phương pháp phổ biến nhất là sấy siêu tới hạn (supercritical drying), được nhà hóa học người Mỹ Samuel Stephens Kistler phát minh vào năm 1931. Câu chuyện kể lại rằng ý tưởng này nảy sinh từ một vụ cá cược vui giữa Kistler và đồng nghiệp Charles Learned về việc liệu có thể lấy chất lỏng ra khỏi một lọ thạch (jelly) mà không làm nó bị co lại hay không. Kistler đã thắng cược bằng cách tăng nhiệt độ và áp suất để đưa chất lỏng vào trạng thái "siêu tới hạn" (không còn phân biệt rõ lỏng-khí), sau đó giảm áp suất đột ngột để chất lỏng bay hơi mà không gây ra sức căng bề mặt làm sập cấu trúc rắn còn lại.
Gần một thế kỷ sau phát minh của Kistler, công nghệ sản xuất aerogel đã được hoàn thiện đáng kể. Các nhà khoa học có thể tạo ra aerogel từ nhiều vật liệu khác nhau, từ silica (phổ biến nhất, tạo ra aerogel trong suốt màu xanh lam nhạt), oxit kim loại, polyme, carbon, đến cả vàng hay graphene. Kỷ lục Guinness Thế giới cho chất rắn ít đặc nhất (nhẹ nhất) hiện thuộc về aerographene (aerogel làm từ graphene), được nhóm nghiên cứu tại Đại học Chiết Giang (Trung Quốc) tạo ra năm 2013 với khối lượng riêng chỉ 0,16 miligam trên mỗi centimet khối (0,16 mg/cm³).
Ngoài trọng lượng siêu nhẹ, aerogel còn sở hữu những đặc tính phi thường khác, đặc biệt là khả năng cách nhiệt và cách âm tuyệt vời. Bên trong cấu trúc aerogel là vô số túi khí siêu nhỏ (kích thước nano), nhỏ đến mức các phân tử khí bên trong gần như không thể chuyển động và truyền nhiệt qua đối lưu. Đồng thời, bản thân cấu trúc rắn dạng mạng lưới cũng hạn chế tối đa sự dẫn nhiệt. Sự kết hợp này biến aerogel thành một trong những vật liệu cách nhiệt tốt nhất mà con người từng biết, có thể chịu được nhiệt độ cực cao mà không bị biến dạng hay truyền nhiệt (như hình ảnh bảo vệ bông hoa khỏi đèn khò).
Nhờ những đặc tính độc đáo này, aerogel có rất nhiều ứng dụng tiềm năng:
- Cách nhiệt hiệu quả: Trong xây dựng, công nghiệp, quần áo giữ nhiệt...
- Cách âm: Giảm tiếng ồn trong các môi trường nhạy cảm.
- Chất xúc tác: Aerogel làm từ vàng, dù siêu nhẹ, lại có diện tích bề mặt cực lớn, lý tưởng cho các phản ứng hóa học.
- Khám phá không gian: NASA đã sử dụng aerogel trong sứ mệnh Stardust để thu giữ các hạt bụi sao chổi và vật chất từ không gian liên sao một cách nhẹ nhàng mà không làm chúng bị phá hủy do va chạm.
- Xây dựng căn cứ ngoài Trái Đất: Các nhà khoa học đã đề xuất dùng aerogel làm vật liệu chính để xây dựng các mái vòm (dome) khổng lồ cho căn cứ trên Sao Hỏa. Do siêu nhẹ, mái vòm aerogel không cần kết cấu chống đỡ phức tạp. Một số loại aerogel trong suốt với ánh sáng nhìn thấy nhưng lại cản tia cực tím hiệu quả, đồng thời giữ nhiệt tốt (ngăn bức xạ hồng ngoại thoát ra), tạo môi trường lý tưởng để con người sinh sống và trồng trọt bên trong mà không cần mặc đồ vũ trụ.
Từ một ý tưởng nảy sinh từ vụ cá cược về lọ thạch, aerogel đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu vật liệu tiên tiến đầy hứa hẹn. Khả năng kiểm soát cấu trúc vật chất ở cấp độ nano để tạo ra những đặc tính vĩ mô phi thường như aerogel cho thấy tiềm năng to lớn của khoa học vật liệu trong việc giải quyết các thách thức từ đời sống đến chinh phục vũ trụ.
