Tính chất Đặc điểm Ứng dụng
Nhiệt Chất rắn cách nhiệt tốt nhất
Transparent
Lightweight
Vật liệu cách nhiệt trong xây dựng, phương tiện vũ trụ, đúc khuôn
Density/porosity Lightest synthetic solid
Homogeneous
Multiple compositions
Catalysts, sorbers, sensors, fuel storage, ion exchange
Optical Low refractive index solid
Transparent
Multiple compositions
Cherenkov detectors, lightweight optics, special effect optics
Acoustic Low speed of
sound for transducers, range finders, speakersSound absorption materials, impedance matchers Mechanical Elastic, lightweight Energy absorber, hypervelocity particle trap Electrical Lowest dielectric
constant
High dielectric strength
High surface area
Dielectrics for ICs, spacers for vacuum electrodes, vacuum display spacers, capacitors
Các ứng dụng đã được nghiên cứu và đăng trên những trang tạp chí khoa học nổi tiếng cụ thể được trinh bày dưới đây:
Lĩnh vực hóa học: silica aerogel đã được nghiên cứu khả năng làm pha tĩnh để phân tách sắc ký chất lỏng siêu tới hạn (SFC). Hai loại hạt silica aerogel được nghiên cứu : silica aerogel nghiền nguyên khối, sau đó được sàng đến kích thước mong muốn và hạt aerogel được chuẩn bị bằng cách phun sol trực tiếp vào nồi hấp. Kết quả thí nghiệm cho thấy việc tách các hydrocacbon thơm đa vòng đã đạt được thành công trong các cột chứa đầy silica aerogel nghiền và phun. Số lượng đĩa lý thuyết cho mỗi cột cho thấy aerogel được chuẩn bị bằng cách phun sol trực tiếp trong nồi hấp hoạt động tốt hơn so với loại nghiền nhỏ. Hiệu suất của chúng không tốt bằng đối với cột silicagel thương mại nhưng sự phân tách khá khả quan [48]. Kết hợp Vanadia-silica aerogel (chứa 10 đến 30% trọng lượng V2O5và aerogel) hoạt động trong xúc tác khử chọn lọc NO bằng NH3đã được thử nghiệm và so sánh với các chất xúc tác vanadi-silica và vanadia-titania. Tần số vòng quay đối với SCR ở nhiệt độ T<475K là cao nhất đối với aerogel ở nhiệt độ thấp có chứa các loại oxit vanadi phân tán tốt. Để các chất xúc tác này tiếp xúc với nhiệt độ cao hơn trong điều kiện SCR dẫn đến hiện tượng kết tụ/phân tán lại và ở nhiệt độ T>5,50K hoạt động xúc tác tốt nhất được quan sát với các oxit hỗn hợp vanadia-silica mà quang phổ Raman chỉ ra sự hiện diện của V2O5tinh thể, như trường hợp của aerogel thu được bằng cách làm khô siêu tới hạn ở nhiệt độ cao và aerogel nhiệt độ thấp với hàm lượng vanadi cao nhất (30% trọng lượng) [49].
Lĩnh vực xây dựng: việc ứng dụng aerogel trong cách nhiệt cho vật liệu xây dựng đưa ra hứa hẹn silica aerogel sẽ được thay thế vật liệu xây dựng cách nhiệt truyền thống trong tương lai, và tiềm năng khác là nó có thể có khả năng tiết kiệm năng lượng lớn khi sử dụng trong các cửa sổ và cửa sổ trần [50]. Silica aerogel nguyên khối mặc dù có các tính chất nhiệt và quang học tốt hơn silica aerogel
dạng hạt, nhưng nó lại có độ bền uốn không cao, dễ bị nứt vỡ dưới tác dụng của ngoại lực, cụ thể là sức gió trên các tòa nhà cao tầng. Đối với silica aerogel dạng hạt mặc dù không tốt như dạng nguyên khối, nhưng nó cũng có những ứng dụng thú vị trong lĩnh vực xây dựng. Kích thước hạt cỡ nhỏ sẽ có tính cách nhiệt cao hơn nhưng độ truyền sáng thấp hơn, thích hợp để chế tạo các loại kính có khả năng truyền nhiệt rất thấp và truyền ánh sáng mặt trời cao và đảm bảo độ riêng tư cho người sử dụng [51] Những đặc tính này rất thích hợp dùng làm lớp kính cách nhiệt bao phủ bên ngoài các tòa nhà để tăng lượng ánh sáng tự nhiên mà vẫn đảm bảo cách nhiệt tiết kiệm năng lượng. Hệ thống chiếu sáng ban ngày sử dụng các aerogel này có hệ số truyền nhiệt nhỏ hơn 0,4 W/(m2/K) và tổng năng lượng mặt trời truyền từ 17% đến 45% với độ dày dưới 50 mm. Kính với lớp silica aerogel được tích hợp vào mặt tiền của các tòa nhà lớn cũng như sử dụng trong gia đinh, với khả năng truyền năng lượng mặt trời cao và độ dẫn nhiệt thấp để tiết kiệm năng lượng chiếu sáng và sưởi ấm [52].
Lĩnh vực vật liệu: vật liệu ceramics cách nhiệt HGM (hollow glass micropheres) được tạo thành từ quá trinh nung thiêu kết, sau đó ta tiến hành ngâm HGM thu được vào trong silica aerogel và đem sấy ở áp suất thông thường thi thu được HGMs. Về tính cách nhiệt của HGMs, độ dẫn nhiệt đã giảm đi 27% (từ 0.0454 còn 0.0335 W/m.K) đối với H20-700oC. Về độ chống thấm của HGM, vi cấu trúc của HGM có nhiều khoảng không nên độ hút nước cao, khi ta thêm silica aerogel vào thi tính hút nước giảm đáng kể (góc thấm ướt từ 12,5 tăng lên 154,5) [53]. Vật liệu khác cũng được nghiên cứu để giảm khả năng dẫn nhiệt bằng cách cho silica aerogel phân tán vào PDMS (polydimethylsiloxane) và dùng ethanol để hạn chế PDMS lấp đầy lỗ trống của silica aerogel. Cho thấy độ dẫn nhiệt giảm khi tỷ lệ silica aerogel tăng, cụ thể từ 0.149 W/m.K (0% silica aerogel) giảm xuống 0.018 W/m.K (12% silica aerogel) và tính chống cháy của vật liệu cũng tăng lên từ 25.2% đến 26.4% - thể hiện bằng đại lượng LOI [54]. Một nghiên cứu khác là kính phủ low-e và aerogel dạng hạt hoặc nguyên khối trong không gian (độ dày 14mm). Chất này giúp kính có tính năng phát xạ nhiệt chậm, làm giảm sự phát tán, hấp thụ nhiệt lượng chậm có chức năng phản xạ lại ánh sáng mặt trời giúp không gian bên trong giữ nhiệt độ ổn định (giảm 72% độ thất thoát nhiệt), tiêu âm giảm tiếng ồn (giảm 17% độ truyền sáng khi so sánh với kính hai lớp với một lớp low-e), mà vẫn đảm bảo độ sáng trong căn phòng. Ngoài ra, cho thấy silica aerogel nguyên khối có các tính chất tốt hơn khi so với silica aerogel dạng hạt cả về khả năng truyền ánh sáng, cách nhiệt, hệ số mặt trời, chỉ số hoàn màu [55]. Jong-Ah Paik và cộng sự đã chọn TiO2 làm chất làm mờ để sản xuất vật liệu composite aerogel có độ dẫn nhiệt có thể thấp tới 0,028 W/m.K ở 1073K. Họ cũng đo mối quan hệ giữa độ dẫn nhiệt và hàm lượng TiO2trên một đơn vị thể tích dưới các nhiệt độ hoạt động ở 297K, 573K, 873K, 973K và 1073K. Kết quả của họ cho thấy rằng hàm lượng TiO2 dẫn đến độ dẫn nhiệt tối thiểu ở các nhiệt độ khác nhau đều là 100 mg/cm3. Ngoài ra, có nhiều nghiên cứu khác đã chọn TiO2 là chất làm mờ để giảm sự truyền nhiệt bức xạ nhiệt bên trong vật liệu aerogel [40,56,57,58,59].
Lĩnh vực in, sơn: tính chất cách nhiệt silica aerogel được sử dụng thường thấy nhất là trong vật liệu xây dựng cách nhiệt. Nhưng ở đây có sự khác biệt một chút, đó là sử dụng silica aerogel in phun để tạo các lớp cách nhiệt có hoa văn, điều này được ứng dụng trong việc sản xuất các vật liệu cách
nhiệt siêu nhỏ như pin hay chip điện tử. Độ dày của lớp silica aerogel sẽ phụ thuộc vào số chu ki in. Ngoài ra, độ dẫn nhiệt của silica aerogel được đo trong khoảng 30-300oC. Trước khi thiêu kết, silica aerogel có hệ số dẫn nhiệt là 0,269-0,281 W/m.K, sau khi thiêu kết giảm đáng kể còn 0,047-0,068 W/m.K, đảm bảo sự cách nhiệt tuyệt vời mà nó mang lại. Điều này được ứng dụng tích cực trong lĩnh vực sản xuất các vật liệu kích thước nhỏ [60]. Đối với các hạt silica aerogel gốc ưa nước và ứng dụng của nó trong sơn cách nhiệt. Thông qua các sấy và trộn với các chất để như hồ CaCO3/TiO2đã chuẩn bị và nhựa acrylic để tạo thành sơn cách nhiệt [61]. Qua các thí nghiệm cho thấy, độ cách nhiệt của sơn càng tăng khi tỉ lệ khối lượng silica aerogel của sơn tăng lên và hiệu quả nhất là tại 6%, tại đây nhiệt độ chênh lệch giữa sơn gốc nước silica aerogel/ sơn thông thường là 1.2 tại nhiệt độ môi trường là 45oC, khi ta tăng tỉ lệ khối lượng silica aerogel lên hơn 6% thi tính cách nhiệt giảm vi lớp phủ xuất hiện các vết nứt và các cục nhỏ. Vi vậy, việc bổ sung silica aerogel vào sơn gốc nước sẽ làm tăng hiệu quả cách nhiệt từ đó giúp tiết kiệm năng lượng cho việc sưởi ấm cũng như làm mát cho các ngôi nhà, bên cạnh đó nó còn có tính kỵ nước giúp chống thấm và ẩm mốc [61].
Lĩnh vực y học:Những đặc tính độc đáo của aerogels đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu trên lĩnh vực y học. Các vi hạt silica aerogel tương hợp sinh học đang thúc đẩy các phương tiện vận chuyển thuốc vi bề mặt rộng và cấu trúc lỗ xốp của chúng. Các nhà nghiên cứu đã điều tra ảnh hưởng của các chất hóa lý đặc tính của silica aerogel ( mật độ, diện tích bề mặt cụ thể , kích thước lỗ và tính kỵ nước) về sự sự hấp phụ của sáu loại thuốc hòa tan trong nước kém (profens: ketoprofen, flurbiprofen, và buprofen và không phải profens: miconazole, griseofulvin và dithranol). Cấu trúc vi mô của aerogel bao gồm các lỗ rỗng mở có kích thước nano, độ xốp cao, các hạt sơ cấp được liên kết tạo thành mạng ba chiều, và có thể được điều chỉnh thông qua tổng hợp bằng quy trinh sol-gel sẽ cho phép các phân tử hữu cơ nhỏ được lắng đọng [62].
Độ bền cơ học kém là nhược điểm dẫn đến hạn chế trong việc ứng dụng nhưng silica aerogel cho phép dễ dàng kết hợp các hợp chất khác nhau vào cấu trúc của chúng, cho phép sản xuất các vật liệu có đặc điểm khác biệt với các vật liệu silica aerogel cơ bản. Một giải pháp thay thế tương đối gần đây như là kết hợp với vật liệu nano cacbon, bao gồm ống nano cacbon, sợi nano carbon, graphene và aerogel cacbon. Sự kết hợp của các vật liệu cacbon này với silica aerogel có thể tạo ra các vật liệu mới với hiệu suất điện hóa độc đáo, các đặc tính nhiệt, hấp phụ và được gia cố cơ tính [63].
Bảng 3.3. Một số vật liệu composite silica và tính chất vật lý của chúngTham khảo Vật liệu