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Aerogel

Was sind Aerogele?

Aerogele (griechisch aeros = Luft) sind Materialien, die eine stabile, offene und poröse Struktur besitzen. Anders als bei Hydrogelen, welche durch das Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurden, ist das poröse Netzwerk mit Luft gefüllt. Der Luftanteil an der Dichte beträgt dabei oft über 95%. Durch die poröse Struktur besitzen Aerogele eine hohe spezifische Oberfläche, effiziente Wärmedämmung und besonders geringe Dichte. Sie sind stabil genug um ein Vielfaches ihres eigenen Gewichtes zu halten.

Wofür verwendet man sie?

Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Aerogelen entsteht eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten.

Die hohe spezifische Oberfläche eröffnet den Einsatz als Trägermaterial in der Chemie beispielsweise für die Katalyse, in der Medizin und Agrarwirtschaft als Transportagens. Weiter eignen sich Aerogele durch die spezifische Oberfläche als Absorber oder Filter. In der Raumfahrt fanden Aerogele bereits als Staubfänger im „Stardust“-Projekt Anwendung.

Aerogelen eignen sich hervorragend als Wärmedämmstoff oder als elektrische Isolatoren. In heißer Luft bewegen sich Moleküle besonders schnell, sie besitzen also eine hohe kinetische Energie. In der porösen Struktur müssen die Gasteilchen oft ihre Richtung ändern, wodurch sie an kinetischer Energie verlieren. Dadurch kühlt sich das Gas im Gel ab. Die Energie die das Gel aufnimmt wird durch Schwingungen an das Gas zurückgegeben, sodass gewissermaßen ein wärmereflektierender Effekt entsteht.

Die geringe Dichte auf der einen Seite kombiniert mit der Stabilität auf der anderen Seite machen diese Materialien besonders interessant für Leichtbau in Automobil, Luft und Raumfahrt, wo jedes eingesparte Gramm Einfluss auf den Ressourcenverbrauch übt.

Wie werden sie hergestellt?

Konventionell werden Aerogele aus Kieselsäure und Derivate im Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Hierzu werden zuerst in Lösung sogenannte Sole hergestellt. Diese Sole sind kompakte Siliziumoxid-Partikel, welche durch reaktionslimitierte Aggregation (RLA) entstehen. Haben die Sole die gewünschte Größe erlangt, werden sie durch Veränderung der chemischen Bedingungen und Aufhebung der Hemmnisse zur Aggregation angeregt. Die Sole binden miteinander und eine Gelbildung verläuft nach dem Prinzip der diffusionslimitierten Aggregation (DLA). Dadurch entsteht ein stabiles und proöses Gerüst welches mit Lösungsmittel gefüllt ist, ein sogenanntes Hydrogel. Durch eine schonende Entfernung des Lösungsmittels üblicherweise durch supercritische Trocknung, bleibt das Gerüst erhalten, sodass Aerogele erhalten werden. Durch geschickte Wahl der Prozessparameter und Ausnutzen der verschiedenen Aggregationsmechanismen lassen sich gezielt die Eigenschaften (Porengröße, Dichte, etc.) der resultierenden Gele einstellen und an die Anwendung maßgeschneidert anpassen.

Aerogele aus Cellulose auf der anderen Seite werden durch lösen und auskoagulieren der Cellulose in geeigneten Fällungsmedien gewonnen. Cellulose an sich ist bereits ein Polymer, weshalb ein Keimwachstum nicht erforderlich ist. Durch Wasserstoffbrückenbindungen werden die Polymere dann zusammengehalten. Die Steuerungsmechanismen sind hier jedoch weitaus weniger erforscht als bei Silicagelen, weshalb eine gezielte Synthese von Cellstoff Aerogelen noch ausbleibt.

Warum Cellulose?

Cellulose ist ein Rohstoff mit nahezu unerschöpflichem Reservoir. Es ist ein Biopolymer aus Glucose und wird hauptsächlich aus Holz und Pflanzenresten gewonnen. Dies ermöglicht die Synthese von Aerogelen aus regenerativen Rohstoffen und eröffnet einen kostengünstigen Feedstock. Zudem gibt es eine Menge erprobte Derivatisierungen (Veränderung von chemischen Bausteinen) von Cellulose mit einfachen Mitteln. So kann Cellulose zum Beispiel hydrophobiert, also wasserabweisend gemacht werden. Des Weiteren können durch Zugabe von Crosslinkern (Moleküle, die weitere Moleküle durch Bindung verbrücken) die Steifigkeit erhöht werden. Der Vorteil von Cellulose-Aerogelen gegenüber Silica-Aerogelen ist, dass sie elastisch und dadurch weniger brüchig sind.

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