水や火を通さず、彗星の粒子を捕らえることができます。この素材の原産地は何ですか？

エアロゲルは、97% の空気と 3% の固体構造で構成されており、密度が空気のわずか 1.5 倍であるため、世界で最も軽い固体材料です (グラフェンエアロゲルはギネスに認定された世界最軽量の固体です)。

エアロゲルは非常に軽量であることに加え、主に「クヌーセン効果」により、非常に優れた断熱性能も備えています。エアロゲルは主にシリカと空気で構成されているため、固体シリカの熱伝導率は平均的ですが、空気の熱伝導率も非常に低くなります。

さらに、エアロゲルにはナノスケールの細孔が多数存在するため、空気がエアロゲルを拡散して対流熱を伝達することが困難になります。

そのため、エアロゲルは高温耐性が求められる環境によく登場します。たとえば、エアロゲルは火星探査車の保温に使用されています。

また、エアロゲルの撥水性は主に改質によって得られます。表面の極性-OHを非極性-ORに変換することで、疎水性エアロゲルが得られます。

このような「水や火を通さない」素材は、現代の技術の最新産物のように思われますが、実はエアロゲルは1930年代に登場し、化学者サミュエル・キースラーによって初めて生み出されました。

最初のエアロゲルの誕生

ゲル状の物質は実は非常に一般的です。私たちが食べるゼリーは、固体と液体が混ざったゲル状の物質です。

たまたまサミュエルと彼の同僚チャールズ・ラーネッドはゼリーで賭けをしました。チャールズは、ゼリーがゲルになる理由はその液体特性によるものだと信じていましたが、サミュエルはゲル内の固体構造もゲル形成の鍵であると信じていました。

誰が正しいかを検証するために、サミュエルは湿ったゲルに同じ大きさと形の連続した固体ネットワークが含まれていることを証明する実験を始めました。実験の目的は非常に単純で、ゲル内の液体を除去して固体構造を保持し、ゲルとその中の液体が何の関係もないことを証明することでした。

しかし、言うのは簡単ですが、実行するのは難しいのです。ゲル内の液体が単に蒸発すると、対応する固体構造は必然的に収縮します。

液体分子が除去されると、それらは互いに引き合い、それによって周囲の固体構造を引っ張るので、ゲルは内部から「崩壊」し、元の体積の 1/10 に縮小します。

この方法は絶対にうまくいかないでしょう。サミュエルは熟考の末、ゲル内の液体を置き換えることによってのみ固体構造の完全性を確保できるという結論に達しました。

ゲルにはすでに固体と液体の両方の物質が含まれているため、それを置き換えるにはガスを使用する必要があります。

しかし、通常のガスではゲル液体の代わりにはならないため、サミュエルは状況を救うために回り道を選ぶことにしました。彼は液体を加圧して加熱し、臨界点を突破させました。その結果、液体は超臨界流体（液体と気体の間には基本的に違いはありません）になり、分子はもはや相互に引力を持たなくなりました。

サミュエルは原料としてケイ酸ナトリウムを選択し、塩酸を使用して加水分解を促進し、水とエタノールを溶媒交換剤として使用してアルコールゲルに変換しました。次に、アルコールジェルを高温高圧の環境に置きました。ゲル内のエタノールが超臨界流体になった後も、ゲルにかかる圧力を減らしながら臨界温度を維持し続けました。圧力が低下すると、エタノール分子がガスとして放出されました。

研究室のサミュエル

その後、ゲルを熱源から外し、冷却すると、ゲルに元々含まれていたエタノール液体がガスに変化して蒸発し、ガスで満たされた固体構造だけが残ります。これが最初のエアロゲルの誕生です。

エアロゲル製造方法の改良

この研究が画期的であることは間違いないのですが、不思議なことに、その後30年間、エアロゲルの研究は、当時の作製条件が比較的難しく、特に長い時間を要したことが主な原因で、ほとんど停滞していました。

酸素とロケット燃料を貯蔵できる多孔質材料を探していたリヨン大学が、30年以上前のエアロゲルを発掘し、サミュエルの方法に基づいて製造方法を改良したのは、1970年になってからでした。

新しい製造方法では、ケイ酸ナトリウムの代わりにアルコキシシラン（TMOS）を使用し、エタノールの代わりにホルムアルデヒドを使用します。この方法で製造されたゲルアルコールゲルは、より高品質のシリカエアロゲルを製造でき、時間も大幅に短縮されます。この方法は、エアロゲル科学の大きな進歩に直接つながります。

方法が改善されるにつれて、ますます多くの研究者がエアロゲル分野に加わるようになりました。

1983 年、バークレー研究所の微細構造材料グループは、毒性の強い化合物 TMOS をより安全なテトラエチルオルトケイ酸 (TEOS) に置き換えることができることを発見しました。そして、TEOSはゾルゲル法によって加水分解され、重縮合されます。

さらに、マイクロ構造材料グループは、超臨界乾燥の前に、ゲル内のアルコールを液体二酸化炭素に置き換えてもエアロゲルに損傷を与えることはないことを発見しました。

CO2 はアルコールのような爆発の危険性がないため、これは安全性の大きな進歩を表しています。

エアロゲルのその他の用途

エアロゲルの研究が深まるにつれ、素粒子物理学者は、このナノスケールの材料を使って、捉えにくいチェレンコフ放射粒子を収集できることに気づきました。なぜなら、これらの粒子はエアロゲルの複雑な構造を通過するのが難しく、エアロゲルの内部に留まるからです。

粒子の痕跡を捉える

NASAのジェット推進研究所が作成したシリカエアロゲルは、粒子の収集に加え、宇宙へ「飛行」し、彗星の粒子を収集する任務も担った。

ここまで述べてきましたが、エアロゲルのさまざまな特性と、常に改良され続けている製造方法については、皆さんもご理解いただけたと思います。どの面から見ても非常に優れているのですが、なぜ人々の生活の中に普及していないのでしょうか。

まずは制作です。調製方法は多くの改良が加えられてきましたが、最も重要な超臨界条件は依然として閾値を設定しています。

第二に、エアロゲルの工業生産にはもう一つの大きな課題があります。それは、エアロゲルが非常に脆いということです。耐荷重能力は強いのですが、残念ながら張力が非常に小さく、軽くつまむだけで「二つに割れる」可能性があるため、通常は他の添加剤が必要になります。

無視できない価格の問題もあります。約6立方センチメートルのエアロゲルの価格は350人民元前後なので、コストも生産と応用を制限する要因となっています。