Aerogel là một loại vật liệu siêu nhẹ và xốp tổng hợp được tạo ra bằng cách thay thế thành phần lỏng của gel bằng khí, với cấu trúc gel hầu như vẫn còn nguyên vẹn. Vì vẻ ngoài khá đặc biệt, vật liệu này còn được gọi là "khói đông lạnh" hoặc "đám mây rắn".
Các nhà khoa học đã đưa ra hơn một chục công thức chế tạo aerogel, từ những công thức làm từ silica giống như polystyrene giãn nở dễ vỡ khi chạm vào, đến một số aerogel dựa trên polymer giống như bọt cứng. Mặc dù vậy, tất cả các loại gel siêu nhẹ này đều có chung một quy trình: trộn các hóa chất với nhau, để chúng lắng xuống thành một loại gel ướt, rồi hút hết chất lỏng bên trong. Kết quả là tạo ra một chất có tỷ trọng cực thấp với 99% là không khí.
Mặc dù vậy, một số loại aerogel tỏ ra cực nổi bật về độ nhẹ. Graphene Airgel, vật liệu nhẹ nhất thế giới, chỉ nặng 0,16 miligam trên centimet khối. Gần đây, nó đã thay thế aerographite, một loại aerogel siêu nhẹ khác đã được các nhà khoa học Đức nghiên cứu và nặng 0,2 miligam trên centimet khối. Các aerogel này có khả năng hút dầu tuyệt vời và do đó rất hữu ích khi làm sạch các vết dầu loang.
Peter Tsou với một mẫu aerogel tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực, Viện Công nghệ California. Nghiên cứu của tiến sĩ Tsou đã tập trung vào việc sử dụng aerogel để khám phá không gian.
Để tạo ra một aerogel, thành phần chất lỏng của gel được loại bỏ thông qua quá trình làm khô siêu tới hạn hoặc làm khô đông lạnh, cho phép chất lỏng được làm khô từ từ mà không làm cho chất nền rắn trong gel sụp đổ do tác động của mao dẫn, như bay hơi thông thường.
Các aerogel đầu tiên được sản xuất từ gel silica, và ví dụ đầu tiên được ghi lại bằng tài liệu về aerogel được tạo ra bởi Samuel Stephens Kistler vào năm 1931.
Carbon aerogel có màu đen và khi sờ lên có cảm giác giống như đang sờ lên những hòn than. Chúng có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khả năng dẫn điện tốt. Các tính chất này làm cho aerogels carbon rất hữu ích đối với tụ điện, pin và hệ thống khử muối.
Sự ra đời của Aerogel bắt nguồn từ một câu chuyện được kể lại vào cuối những năm 1920, khi Samuel Kistler (1900-1975), giáo sư hóa học người mỹ đã đánh cược với đồng nghiệp của mình Charles Learned rằng "có tồn tại một loại gel không lỏng". Tất nhiên, không một ai tin điều ông nói là đúng. Vì đặc tính lỏng vốn là đặc tính cố hữu của gel được biết đến trong một thời gian dài trước đó.
Bằng sự kiên trì và quyết tâm của mình, sau nhiều thử nghiệm và gặp không ít thất bại, cuối cùng Kistler đã tìm ra một loại gel ở trạng thái khí (không phải trạng thái lỏng), một loại gel mới chưa từng được biết đến, thậm chí chưa một ai tưởng tưởng ra nó. Ông đã trở thành người đầu tiên thay thế được trạng thái lỏng của gel thành trạng thái khí, và đặt tên cho nó là "Aerogel". Năm 1931, ông đã công bố phát hiện của mình trong bài viết "Coherent Expanded Aerogels and Jellies", đăng trên tạp chí khoa học Nature.
Aerogel tạo ra chất cách điện tuyệt vời vì chúng gần như vô hiệu hóa hai trong ba phương pháp truyền nhiệt - dẫn (chúng hầu như được cấu tạo hoàn toàn bởi các chất khí cách nhiệt là chất dẫn nhiệt rất kém) và đối lưu (cấu trúc vi mô của chúng ngăn cản sự chuyển động của khí ròng). Aerogel thậm chí có thể có độ dẫn nhiệt nhỏ hơn độ dẫn nhiệt của chất khí mà chúng chứa - một hiện tượng được gọi là hiệu ứng Knudsen.
Với cấu trúc " khí lẫn rắn" như vậy, Aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế giới mà con người từng biết đến. Nó nhẹ đến mức, có thể đặt được trên một bong hoa. Với thể tích 1 inch khối (khoảng 16,3 ml) có thể dát mỏng và phủ lên toàn bộ một sân bóng đá. Cùng với đặc tính này, có một số điều thú vị về Aerogel (loại silica): Giữ 15 mục trong sách kỷ lục Guinness cho các thuộc tính vật chất, điển hình là nhẹ nhất, rắn nhất, cách điện tốt nhất và mật độ vật chất thấp nhất.
Aerogel có khả năng cho không khí xuyên qua, chống cháy và có thể thấm cả dầu lẫn nước. Chưa hết, Aerogel vừa có thể làm dây dẫn điện vừa có thể trở thành một chất cách điện tốt nhất từ trước tới nay khi được pha trộn với một số vật liệu khác.
Với những khả năng phi thường đó, Aerogel xứng đáng với cái tên "vật liệu tốt nhất hành tinh". Với ngần ấy tính năng ưu việt, Aerogel có thể được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực, cho phép con người làm được những điều chưa từng làm được với các loại vật liệu trước đó. Tuy nhiên, chi phí sản xuất Aerogel rất lớn, do mỗi lần chỉ sản xuất được một lượng rất nhỏ và điều kiện sản xuất yêu cầu những thiết bị tối tân. Mức giá hiện nay khá đắt, khoảng 100 USD cho mỗi centimet khối, tương đương 23.000 USD mỗi pound (khoảng 453,6 g).
Mặc dù rất nhẹ nhưng một vật làm bằng Aerogel có khả năng "cõng" một vật khác có trọng lượng gấp 500 đến 4.000 lần trọng lượng của nó. Khi mới xuất hiện, Aerogel được ứng dụng ở trong mọi lĩnh vực mà con người có thể tưởng tượng ra, từ các sản phẩm trang điểm dành cho phụ nữ cho đến những thứ lãng mạn hơn như làm sơn cho...bom napan. Chúng cũng được sử dụng trong các đầu lọc thuốc lá hay bộ phận cách nhiệt cho tủ lạnh. Hiện tại, Aerogel có thể được tìm thấy trong các lĩnh vực như: Sản xuất đồ bơi; Quần áo dành cho lính cứu hỏa; Cửa kính; Tên lửa; Sơn; Mỹ phẩm; Vũ khí hạt nhân.....
Tham khảo: Earthlymission; Nature; NASA