Haberler 161’den makale
Barbara Milow, bakışlarını bir behere odaklıyor ve denerken her ayrıntıyı gözlemliyor. Deneyin iyi mi yoksa yanlış mı gittiğini görmek için bekleyen gergin havayı seviyor. Bir girişimin başarılı mı yoksa iddia edilen bir başarısızlık mı olduğunu ancak olaydan sonra tam olarak anlarsınız ve bundan daha fazla araştırma için önemli bir şeyler öğrenebilirsiniz. “Bu beni her zaman büyülemiştir,” diyor Milow, “… kimyasal sentez, maddeler ve özelliklerinin birbiriyle nasıl ilişkili olduğu sorusu ve tamamen yeni malzemelerin geliştirilmesi.” Köln Üniversitesi’nde nanoyapılı hücresel malzemeler kürsüsüne sahip bilim adamı ve DLR Malzeme Araştırma Enstitüsü’ndeki meslektaşları bugün mutlu olabilir. Girişim plana göre gitti. Silika çözeltisinin jelleşmesi açıkça görülebilir. Ve aslında Milow hiçbir şeyi şansa bırakmak istemiyor. Ancak o ve teknisyenler, mühendisler ve bilim adamlarından oluşan ekibi laboratuvarda yeni tariflere göre tam anlamıyla aerojel pişirdiğinde işler her zaman beklendiği gibi gitmez.
Aerojeller son teknoloji malzemelerdir. Esasen sünger benzeri ince ve sağlam bir yapı ile çevrelenmiş havadan oluşurlar. Katı olarak silikatlar, plastikler veya metal oksitler gibi farklı malzemeler kullanılır. Bitmiş aerojel içindeki oranları yüzde bir ile yirmi arasındadır. Aerojelin yoğunluğu çok düşüktür, bu da malzemeyi son derece hafif yapar. Malzemenin özellikle Barbara Milow’a çekici gelmesinin birçok nedeninden biri. “Prensipte üretim süreci oldukça basit” diyor. “Bileşenleri bir araya getirirsiniz, jelleşirler, jeli kurutursunuz ve inanılmaz sayıda olası uygulamaya sahip bir malzeme elde edersiniz. Bir yandan karbonun elektriksel iletkenliğine sahip olabilir, diğer yandan da ayrıca nano gözenekli yapısı sayesinde iyi bir yalıtım malzemesi olabilir. Kumaşta bu kadar farklı özellikler – bunu başka hiçbir yerde bulamazsınız.”
Bilim adamı, 2018’in sonundan bu yana DLR Malzeme Araştırma Enstitüsü’nün Aerojel ve Aerojel Kompozit departmanının başında bulunuyor – 32 çalışanıyla Almanya’daki en büyük araştırma grubu. Bilim adamları, malzemenin jelleşme sürecini daha iyi anlamak ve olası uygulama alanlarını açmak için birlikte çalışıyorlar: Sözde silika aerojeller aşırı sıcaklıklarda çok kararlıdır ve uçak kabinlerinde veya yakıt depolarında akustik ve soğuk yalıtım için geliştirilmektedir. .
Termoset aerojeller mükemmel yalıtım malzemeleridir: ne toksik ne de yanıcıdır. Biyopolimer aerojeller, biraz keçeye benzer bir iç yapıya sahiptir ve hava kirleticilerin, nemin veya oksidasyona duyarlı maddelerin adsorpsiyonu için kullanılır. Öte yandan karbon aerojeller, tanımlanabilir nanoyapıları sayesinde yeni pil konseptlerine katkıda bulunabilir veya döküm işlemlerini optimize edebilir. Diğer malzemelerle kombinasyon halinde, pozitif özellikleri yenilikçi aerojel kompozitler oluşturmak için birleştirilebilir. Duisburg-Essen Üniversitesi ile işbirliği içinde, DLR bilim adamları ayrıca sadece çok hafif olmakla kalmayıp aynı zamanda mükemmel ısı yalıtımı sağlayan bir aerojel beton geliştirdiler. “Bugün gördüğümüz olanaklar neredeyse sınırsız ve sürekli olarak yeni uygulama alanları ekleniyor. Aerojellerle ilgili araştırmaların neredeyse 90 yıl önce başladığı düşünülürse, bu şaşırtıcı” diyor Milow.
Güzel şeyler sabredene gelir
1930’larda bilim adamları, hidrojel olarak da bilinen ıslak jellerden sıvıyı çıkarmak için çalıştılar. Yaş jellerden üretilen ve kuruduktan sonra malzemenin içindeki hidrojelin ağ ve gözenek benzeri yapısını sergileyen tüm malzemeler aerojel olarak kabul edildi. Kurutma sırasında malzemenin içindeki gözenek duvarlarına etki eden kuvvetleri, jelin yapısının bozulmaması ve kurutma sırasında gözeneklerin çökmemesi için kontrol etmek, ilk araştırmacılar için son derece zordu. Kurutma işlemi başlangıçta yaklaşık bir hafta sürdü. Endüstriyel kullanım söz konusu değildi. Üretim süreci ancak 1960’larda basitleştirildi ve böylece hızlandı. Islak jellerde gözenek sıvısının esas olarak metanolden oluşabileceği anlaşılmıştır. Araştırmacılar ayrıca aerojellerin ağ benzeri yapısı gibi malzeme özelliklerinin pH değeri aracılığıyla kontrol edilebileceğini de keşfettiler.
Bu süre zarfında Barbara Milow yeni doğdu. BASF, Hoechst ve Henkel gibi şirketler 1980’lerde çok çeşitli özelliklere sahip aerojeller geliştirmek için ıslak jeller için farklı çözümler kullanırken, Trier’deki kimyasal araştırma ofisinde staj yaptıktan sonra Köln Üniversitesi’nde kimya okumaya karar verdi. “Doktora yapmak için DLR Uzay Simülasyon Enstitüsü’ne gittim ve orada ağırlıksız ortamda sıvı-sıvı sistemlerle deneyler yaptım. doktora öğrencisi, Seleflerimin çoğu bunu istemişti,” diyen Barbara Milow şunları ekliyor: “O zamanlar aerojellerle çok az işim vardı.”
Ancak enstitüde küçük bir çalışma grubu ilginç malzeme üzerinde çalışıyordu. Barbara Milow’un aerojellerle yoğun bir şekilde uğraşması bir on yıl daha alacaktı. Bu süre boyunca, atık suyun güneş enerjisi yardımıyla detoksifikasyonu konusunda şu anda DLR Güneş Araştırmaları Enstitüsü’nde çalıştı. “İş sözleşmemin süresi dolduğunda, hâlâ eski enstitümden bir sertifikaya ihtiyacım vardı ve eski meslektaşımla temasa geçtim” diye hatırlıyor. O ve grubu zaten doktoram sırasında aerojel üzerinde çalışıyorlardı. Ona ‘Lorenz, bir sertifikaya veya işe ihtiyacım var’ yazdım ve bana ‘Senin için ikisine de sahibim’ diye cevap verdi, o kadar
2005. O andan itibaren, aerojeller beni benden aldı.”
karanlıkta araştırma
Bu noktada grup varoluşsal sorularla karşı karşıya kaldı: Bir yandan projeleri için fon fırsatları açıldı, diğer yandan enstitü yönetimindeki değişiklikle çalışma grubu feshedildi. “Elbette kafamızı kuma gömemezdik, bu yüzden konuyu gerçekten dikkat çekici bir şekilde oluşturmalıyız.” Üretim sürecini araştırmak ve daha da geliştirmek için ekip, Almanya’daki çok sayıda dökümhaneyi ziyaret etti. Yavaş yavaş, DLR bilim adamları malzemeleri için çok çeşitli uygulama alanları açtı. Örneğin çalışma grubu, kemik implantları için model sistemler olarak aerojel yapıları geliştirdi. Bugün Köln Üniversitesi’ndeki çalışma grubunda, implantlar biyopolimer yapılardan yapılıyor ve dokuya uygulandıktan sonra reddedilmeyecek şekilde geliştiriliyor.
Barbara Milow ve ekibi için sentezleri zehirli maddelerle başka süreçlerle değiştirmek önemlidir. “Formaldehit dışında kullandığımız kimyasalların tamamı çevre dostu. Her zaman sürdürülebilir bir şekilde kullanılabilecek maddeler arıyoruz.” Grup ayrıca alışılmışın dışında yollar izliyor: “Bir zamanlar aerojelleri üretmek için sinnamaldehit kullandık. Sonuç olarak, tüm laboratuvar Noel gibi kokuyordu. Ne yazık ki bu gerekli konsantrasyonlarda daha da zararlı çıktı.”
İddialı bir vizyon
“İlk başta takımın bir arada kalıp kalmayacağından, her şeyin yolunda gidip gitmeyeceğinden ve finansmanı sağlayıp sağlayamayacağımdan şüpheliydim. Birçok başvuru yazdım. Ama umduğumdan daha iyi çalıştı ve bugün dikiş yerlerimiz patlıyor.” Bu arada yönetici, alanları bir sonraki nesle aktardı.Bugün, Barbara Milow ve departmanı, DLR’nin tüm araştırma alanları. Şu anda uçak gövdeleri için bir malzeme geliştiriyorlar. Uzun uçuşlarda buzlanmayı önlemek için tasarlanmıştır. Hidrofobik, yani su itici aerojellerin amacı suyun birikmesini ve birkaç kilo ağırlığındaki buz tabakalarını oluşturmasını engellemektir.
Araştırmacı, “Hayalim, DLR’de kendi aerojel yeterlilik merkezimize sahip olmak, burada prototipler ve küçük seriler halinde yeni ham madde ve bileşenler üretebiliriz,” diyor araştırmacı. Milow’un yakın zamanda profesör olarak atandığı Köln Üniversitesi’ndeki çalışanları da orada çalışabilmelidir. Ve
bununla gurur duyuyor. Daha sonra gelecek projelerden ve yeni uygulama alanlarından bahsettiğinde ne kadar hevesli olduğunu anlayabilirsiniz. Kuşkusuz, tüm bunlar çok fazla iş ve belki de bir veya iki konu alanıyla sınırlı olabilirdi. Ama sonra Barbara Milow başını sallıyor: “Küçük kalmak bana göre değil.”
Aerojeller nasıl kurur? Aerojelleri iç yapıları zarar görmeyecek şekilde kurutmak çok önemli ve zordur. Çözüm, sözde süper kritik kurutmada yatmaktadır. Basınç ve sıcaklık, üç klasik topaklanma durumundan ikisi olan sıvı ve gaz fazın yoğunluğunu eşitleyecek şekilde yükseltilir. Bu homojen faz, sıvıyı kritik üstü bir sıvıya dönüştürür. Moleküllerin sıkışması, arayüzey gerilimi olmayan bir sıvı oluşturur, yani gözenek yapısı üzerinde hiçbir kılcal kuvvet etki etmez. Sonuç olarak, jel kuruduğunda büzülmez, ancak yaklaşık olarak ıslak jelin şeklini ve yapısını korur, ancak bir aerojel haline gelir.
Aerojeller ve Aerojel Kompozitleri
Yazı Haberler 161’den geliyor. Abone olursanız DLRdergiyi de evinize ücretsiz teslim alacaksınız. Burada Haberler’in tüm sayılarını bulacaksınız. Yazar Dr. Frank Seidler, DLR Malzeme Araştırma Enstitüsü’nde pazarlama ve iletişimden sorumludur.
Barbara Milow, bakışlarını bir behere odaklıyor ve denerken her ayrıntıyı gözlemliyor. Deneyin iyi mi yoksa yanlış mı gittiğini görmek için bekleyen gergin havayı seviyor. Bir girişimin başarılı mı yoksa iddia edilen bir başarısızlık mı olduğunu ancak olaydan sonra tam olarak anlarsınız ve bundan daha fazla araştırma için önemli bir şeyler öğrenebilirsiniz. “Bu beni her zaman büyülemiştir,” diyor Milow, “… kimyasal sentez, maddeler ve özelliklerinin birbiriyle nasıl ilişkili olduğu sorusu ve tamamen yeni malzemelerin geliştirilmesi.” Köln Üniversitesi’nde nanoyapılı hücresel malzemeler kürsüsüne sahip bilim adamı ve DLR Malzeme Araştırma Enstitüsü’ndeki meslektaşları bugün mutlu olabilir. Girişim plana göre gitti. Silika çözeltisinin jelleşmesi açıkça görülebilir. Ve aslında Milow hiçbir şeyi şansa bırakmak istemiyor. Ancak o ve teknisyenler, mühendisler ve bilim adamlarından oluşan ekibi laboratuvarda yeni tariflere göre tam anlamıyla aerojel pişirdiğinde işler her zaman beklendiği gibi gitmez.
Aerojeller son teknoloji malzemelerdir. Esasen sünger benzeri ince ve sağlam bir yapı ile çevrelenmiş havadan oluşurlar. Katı olarak silikatlar, plastikler veya metal oksitler gibi farklı malzemeler kullanılır. Bitmiş aerojel içindeki oranları yüzde bir ile yirmi arasındadır. Aerojelin yoğunluğu çok düşüktür, bu da malzemeyi son derece hafif yapar. Malzemenin özellikle Barbara Milow’a çekici gelmesinin birçok nedeninden biri. “Prensipte üretim süreci oldukça basit” diyor. “Bileşenleri bir araya getirirsiniz, jelleşirler, jeli kurutursunuz ve inanılmaz sayıda olası uygulamaya sahip bir malzeme elde edersiniz. Bir yandan karbonun elektriksel iletkenliğine sahip olabilir, diğer yandan da ayrıca nano gözenekli yapısı sayesinde iyi bir yalıtım malzemesi olabilir. Kumaşta bu kadar farklı özellikler – bunu başka hiçbir yerde bulamazsınız.”
Bilim adamı, 2018’in sonundan bu yana DLR Malzeme Araştırma Enstitüsü’nün Aerojel ve Aerojel Kompozit departmanının başında bulunuyor – 32 çalışanıyla Almanya’daki en büyük araştırma grubu. Bilim adamları, malzemenin jelleşme sürecini daha iyi anlamak ve olası uygulama alanlarını açmak için birlikte çalışıyorlar: Sözde silika aerojeller aşırı sıcaklıklarda çok kararlıdır ve uçak kabinlerinde veya yakıt depolarında akustik ve soğuk yalıtım için geliştirilmektedir. .
Termoset aerojeller mükemmel yalıtım malzemeleridir: ne toksik ne de yanıcıdır. Biyopolimer aerojeller, biraz keçeye benzer bir iç yapıya sahiptir ve hava kirleticilerin, nemin veya oksidasyona duyarlı maddelerin adsorpsiyonu için kullanılır. Öte yandan karbon aerojeller, tanımlanabilir nanoyapıları sayesinde yeni pil konseptlerine katkıda bulunabilir veya döküm işlemlerini optimize edebilir. Diğer malzemelerle kombinasyon halinde, pozitif özellikleri yenilikçi aerojel kompozitler oluşturmak için birleştirilebilir. Duisburg-Essen Üniversitesi ile işbirliği içinde, DLR bilim adamları ayrıca sadece çok hafif olmakla kalmayıp aynı zamanda mükemmel ısı yalıtımı sağlayan bir aerojel beton geliştirdiler. “Bugün gördüğümüz olanaklar neredeyse sınırsız ve sürekli olarak yeni uygulama alanları ekleniyor. Aerojellerle ilgili araştırmaların neredeyse 90 yıl önce başladığı düşünülürse, bu şaşırtıcı” diyor Milow.
Güzel şeyler sabredene gelir
1930’larda bilim adamları, hidrojel olarak da bilinen ıslak jellerden sıvıyı çıkarmak için çalıştılar. Yaş jellerden üretilen ve kuruduktan sonra malzemenin içindeki hidrojelin ağ ve gözenek benzeri yapısını sergileyen tüm malzemeler aerojel olarak kabul edildi. Kurutma sırasında malzemenin içindeki gözenek duvarlarına etki eden kuvvetleri, jelin yapısının bozulmaması ve kurutma sırasında gözeneklerin çökmemesi için kontrol etmek, ilk araştırmacılar için son derece zordu. Kurutma işlemi başlangıçta yaklaşık bir hafta sürdü. Endüstriyel kullanım söz konusu değildi. Üretim süreci ancak 1960’larda basitleştirildi ve böylece hızlandı. Islak jellerde gözenek sıvısının esas olarak metanolden oluşabileceği anlaşılmıştır. Araştırmacılar ayrıca aerojellerin ağ benzeri yapısı gibi malzeme özelliklerinin pH değeri aracılığıyla kontrol edilebileceğini de keşfettiler.
Bu süre zarfında Barbara Milow yeni doğdu. BASF, Hoechst ve Henkel gibi şirketler 1980’lerde çok çeşitli özelliklere sahip aerojeller geliştirmek için ıslak jeller için farklı çözümler kullanırken, Trier’deki kimyasal araştırma ofisinde staj yaptıktan sonra Köln Üniversitesi’nde kimya okumaya karar verdi. “Doktora yapmak için DLR Uzay Simülasyon Enstitüsü’ne gittim ve orada ağırlıksız ortamda sıvı-sıvı sistemlerle deneyler yaptım. doktora öğrencisi, Seleflerimin çoğu bunu istemişti,” diyen Barbara Milow şunları ekliyor: “O zamanlar aerojellerle çok az işim vardı.”
Ancak enstitüde küçük bir çalışma grubu ilginç malzeme üzerinde çalışıyordu. Barbara Milow’un aerojellerle yoğun bir şekilde uğraşması bir on yıl daha alacaktı. Bu süre boyunca, atık suyun güneş enerjisi yardımıyla detoksifikasyonu konusunda şu anda DLR Güneş Araştırmaları Enstitüsü’nde çalıştı. “İş sözleşmemin süresi dolduğunda, hâlâ eski enstitümden bir sertifikaya ihtiyacım vardı ve eski meslektaşımla temasa geçtim” diye hatırlıyor. O ve grubu zaten doktoram sırasında aerojel üzerinde çalışıyorlardı. Ona ‘Lorenz, bir sertifikaya veya işe ihtiyacım var’ yazdım ve bana ‘Senin için ikisine de sahibim’ diye cevap verdi, o kadar
2005. O andan itibaren, aerojeller beni benden aldı.”
karanlıkta araştırma
Bu noktada grup varoluşsal sorularla karşı karşıya kaldı: Bir yandan projeleri için fon fırsatları açıldı, diğer yandan enstitü yönetimindeki değişiklikle çalışma grubu feshedildi. “Elbette kafamızı kuma gömemezdik, bu yüzden konuyu gerçekten dikkat çekici bir şekilde oluşturmalıyız.” Üretim sürecini araştırmak ve daha da geliştirmek için ekip, Almanya’daki çok sayıda dökümhaneyi ziyaret etti. Yavaş yavaş, DLR bilim adamları malzemeleri için çok çeşitli uygulama alanları açtı. Örneğin çalışma grubu, kemik implantları için model sistemler olarak aerojel yapıları geliştirdi. Bugün Köln Üniversitesi’ndeki çalışma grubunda, implantlar biyopolimer yapılardan yapılıyor ve dokuya uygulandıktan sonra reddedilmeyecek şekilde geliştiriliyor.
Barbara Milow ve ekibi için sentezleri zehirli maddelerle başka süreçlerle değiştirmek önemlidir. “Formaldehit dışında kullandığımız kimyasalların tamamı çevre dostu. Her zaman sürdürülebilir bir şekilde kullanılabilecek maddeler arıyoruz.” Grup ayrıca alışılmışın dışında yollar izliyor: “Bir zamanlar aerojelleri üretmek için sinnamaldehit kullandık. Sonuç olarak, tüm laboratuvar Noel gibi kokuyordu. Ne yazık ki bu gerekli konsantrasyonlarda daha da zararlı çıktı.”
İddialı bir vizyon
“İlk başta takımın bir arada kalıp kalmayacağından, her şeyin yolunda gidip gitmeyeceğinden ve finansmanı sağlayıp sağlayamayacağımdan şüpheliydim. Birçok başvuru yazdım. Ama umduğumdan daha iyi çalıştı ve bugün dikiş yerlerimiz patlıyor.” Bu arada yönetici, alanları bir sonraki nesle aktardı.Bugün, Barbara Milow ve departmanı, DLR’nin tüm araştırma alanları. Şu anda uçak gövdeleri için bir malzeme geliştiriyorlar. Uzun uçuşlarda buzlanmayı önlemek için tasarlanmıştır. Hidrofobik, yani su itici aerojellerin amacı suyun birikmesini ve birkaç kilo ağırlığındaki buz tabakalarını oluşturmasını engellemektir.
Araştırmacı, “Hayalim, DLR’de kendi aerojel yeterlilik merkezimize sahip olmak, burada prototipler ve küçük seriler halinde yeni ham madde ve bileşenler üretebiliriz,” diyor araştırmacı. Milow’un yakın zamanda profesör olarak atandığı Köln Üniversitesi’ndeki çalışanları da orada çalışabilmelidir. Ve
bununla gurur duyuyor. Daha sonra gelecek projelerden ve yeni uygulama alanlarından bahsettiğinde ne kadar hevesli olduğunu anlayabilirsiniz. Kuşkusuz, tüm bunlar çok fazla iş ve belki de bir veya iki konu alanıyla sınırlı olabilirdi. Ama sonra Barbara Milow başını sallıyor: “Küçük kalmak bana göre değil.”
Aerojellerin üretimini gösteren diyagram. Bu süreç birkaç adım içeriyordu. Aerojelleri, iç yapıları zarar görmeyecek şekilde kurutmak özellikle önemlidir. |
Aerojeller nasıl kurur? Aerojelleri iç yapıları zarar görmeyecek şekilde kurutmak çok önemli ve zordur. Çözüm, sözde süper kritik kurutmada yatmaktadır. Basınç ve sıcaklık, üç klasik topaklanma durumundan ikisi olan sıvı ve gaz fazın yoğunluğunu eşitleyecek şekilde yükseltilir. Bu homojen faz, sıvıyı kritik üstü bir sıvıya dönüştürür. Moleküllerin sıkışması, arayüzey gerilimi olmayan bir sıvı oluşturur, yani gözenek yapısı üzerinde hiçbir kılcal kuvvet etki etmez. Sonuç olarak, jel kuruduğunda büzülmez, ancak yaklaşık olarak ıslak jelin şeklini ve yapısını korur, ancak bir aerojel haline gelir.
Aerojeller ve Aerojel Kompozitleri
- Biyopolimer Aerojeller selüloz, kitin veya İrlanda yosunu gibi doğal olarak oluşan makromoleküllerden oluşur. Birbirine kimyasal olarak bağlanmış nanometre inceliğinde lifler malzemeye stabilite verir. Bu keçe benzeri yapı sayesinde, örneğin uçak kabinlerindeki nemi düzenlemek ve aynı zamanda karbondioksiti emmek için bir filtre olarak çok uygundur.
- termoset aerojeller ışık, ısı ve ses yalıtımlıdır. Araçların, trenlerin ve uçakların yapımında veya Strafor’a alternatif olarak buna uygun olarak ilgi çekicidirler. Kurutma işlemine bağlı olarak, kırılgan veya süper esnek hale gelirler. Sulu bir resorsinol-formaldehit çözeltisine dayanır. Diğer aerojellerle – örneğin silika aerojel granülleriyle – kombinasyon halinde daha iyi termal ve mekanik özelliklere sahip kompozit malzemeler oluşturulur.
- Karbon ve Silikon Oksikarbit Aerojeller duroplastik, biyopolimer bazlı veya hibrit aerojellerin ısıl işlemi sırasında ortaya çıkar. Yüksek sıcaklığa dayanıklıdırlar ve dökümhanelerde kum döküm işleminde kullanılırlar. Geniş iç yüzeyleri sayesinde döküm işlemi sırasında oluşan gazları emer ve bu sayede gaz kabarcıkları, metalik olmayan inklüzyonlar veya kum yapışmaları gibi döküm kusurlarını önlerler. DLR, üretim süreçlerini laboratuvardan pilot tesis ölçeğine taşımak için çalışıyor.
- Silika bazlı aerojeller aerojel ailesinde en iyi çalışılanlardır. Düşük termal iletkenlikleri nedeniyle yalıtkan malzemeler olarak kullanılırlar, aynı zamanda kozmetikte partikül olarak da kullanılırlar. Son yıllarda araştırmacılar yeni bir varyant geliştirdiler: 500 santigrat dereceye kadar sıcaklıklarda sabit kalan yumuşak, esnek aerojeller. DLR bilim adamları, onları daha da geliştirmek için yeni tarifler üzerinde çalışıyorlar.
Yazı Haberler 161’den geliyor. Abone olursanız DLRdergiyi de evinize ücretsiz teslim alacaksınız. Burada Haberler’in tüm sayılarını bulacaksınız. Yazar Dr. Frank Seidler, DLR Malzeme Araştırma Enstitüsü’nde pazarlama ve iletişimden sorumludur.