エアログル：その誕生過程
エアログル：紹介と特徴
エアログルは、世界で最も軽量な固体材料として知られており、97％が空気、3％が固体構造から成り立っており、密度は空気の1.5倍しかありません。極めて軽量であるだけでなく、エアログルは「クヌードセン効果」による優れた断熱能力も備えています。エアログルは主にシリカと空気で構成されており、シリカの熱伝導率が中程度であり、空気は低い熱伝導率を持っています。
さらに、エアログルには数多くのナノスケールの孔があり、これが材料内の空気の拡散を妨げ、対流熱伝達を妨げています。
高温に耐える性質から、エアログルは火星ローバーなどの絶縁材料としてよく使用されます。
また、エアログルの耐水性は改質によって実現され、極性のある -OH基を非極性の -ORに変換することにより、疎水性のエアログルが得られます。
近未来の技術の最先端の製品のように見えるエアログルですが、実際には1930年代に化学者サミュエル・キスラーによって初めて開発されました。
初のエアログルの誕生
ゼラチンのようなゲル状物質は一般的であり、私たちが摂取するゼラチンも固体と液体の状態の組み合わせです。サミュエル・キスラーと同僚のチャールズ・ラーニッドは、ゼラチンがゲルを形成する理由について賭けをしました。チャールズはそれが液体の性質のためだと信じていましたが、サミュエルはゲル内に固体構造が存在することが鍵であると主張しました。
彼の主張を証明するために、サミュエルは湿ったゲル内に連続した固体ネットワークが存在することを実証する実験を行いました。目標は、ゲル内の液体を除去しつつも固体構造を保持し、ゲルとその液体成分が無関係であることを証明することでした。しかし、液体をゲルから蒸発させるだけでは、分子間の引力のために固体構造が収縮し、ゲルが崩壊してしまいます。
この問題を克服するために、サミュエルはゲル内の液体を置き換える必要がありました。唯一の適切な選択肢はガスであり、ゲルはすでに固体と液体の状態を含んでいたためです。しかし、通常のガスではゲル内の液体を置き換えることはできませんでした。サミュエルは新しいアプローチを採用しました。ゲルを加圧して加熱し、液体を臨界点を超えた超臨界流体（液体とガスの区別がない状態）に変換し、分子間の引力を排除しました。
サミュエルは原料としてケイ酸ナトリウムを選び、水酸酸を触媒として加水分解を促進しました。水とエタノールは交換の溶媒として機能し、これによりアルコゲルが生成されました。アルコゲルは高温、高圧の環境に置かれました。エタノールが超臨界流体の状態に達すると、ゲルは圧力を解除されました。圧力が低下すると、エタノール分子はガスとして解放されました。熱源から取り除かれ、冷却されると、ゲル内のエタノールが蒸発し、気体で満たされた固体構造、つまり初のエアログルが残りました。
この研究は1931年にNature誌に掲載されました。
エアログル製造方法の改良
疑いなく画期的なものであったサミュエルの研究は、調製条件が厳しく、時間がかかるため、30年以上も停滞していました。エアログルを酸素やロケット燃料を貯蔵するための多孔質材料として求めていたリヨン大学は、1970年にエアログルを再検討し、サミュエルの方法を改良しました。
新しい方法では、ケイ酸ナトリウムをテトラメトキシシラン（TMOS）に置き換え、エタノールをホルムアルデヒドに置き換えました。この変更により、より品質の高いシリカエアログルのアルコゲルが生成され、調製にかかる時間が大幅に短縮されました。この改良はエアログル科学の重要な進歩を示しました。
これらの改良の後、1983年にバークレー研究所のマイクロストラクチャ材料グループは、高度に有毒なTMOSを安全なテトラエトキシシラン（TEOS）で置き換えることができることを発見しました。また、液体CO2がゲル内のアルコールを損傷せずに超臨界乾燥の前に使用できることも見つけました。
これは主要な安全性の進歩であり、CO2はアルコールの爆発的な危険性がないためです。エアログルに関する研究が深まるにつれて、物理学者たちはこのナノスケールの材料を使用して、複雑なエアログルの構造を通過するのが難しいチェレンコフ放射線粒子を収集するために使用できることに気づきました。
微粒子の収集に加えて、NASAのジェット推進研究所で製造されたシリカエアログルは宇宙に送られ、彗星の塵粒を収集する任務に従事しました。
