Aerogel là một chất rắn xốp siêu nhẹ, thu được khi thay chất lỏng trong một gel bằng khí mà không làm sụp khung rắn. Thể tích của nó thường hơn 90%, có loại tới hơn 99%, là lỗ rỗng kích thước vài đến vài chục nanomet. Aerogel silica phổ biến nhất trông như khói đông cứng, màu xanh nhạt khi nhìn trên nền tối và hơi vàng khi soi ngược sáng.
Tính chất đáng chú ý nhất là cách nhiệt: aerogel silica có hệ số dẫn nhiệt khoảng 0,012–0,020 W/m·K ở điều kiện thường, thấp hơn không khí tĩnh (khoảng 0,026 W/m·K). Nghe nghịch lý vì aerogel chủ yếu là không khí, nhưng lời giải nằm ở kích thước lỗ nhỏ hơn quãng đường tự do của phân tử khí.
Bài viết giải thích cấu trúc, cơ chế cách nhiệt, quy trình chế tạo từ sol-gel đến sấy siêu tới hạn, các ứng dụng đã thương mại hoá và lý do aerogel vẫn là vật liệu đắt sau gần một thế kỷ.
Một thí nghiệm năm 1931 và câu hỏi về khung rắn của gel
Theo câu chuyện thường được kể lại, Samuel Kistler, khi ấy làm việc tại Đại học Stanford, đặt cược với đồng nghiệp rằng có thể lấy hết chất lỏng ra khỏi một khối thạch mà không làm nó co lại. Câu hỏi khoa học phía sau là nghiêm túc: gel có phải một khung rắn liên tục ngâm trong chất lỏng hay không. Năm 1931, Kistler công bố trên tạp chí Nature bài "Coherent expanded aerogels and jellies", mô tả cách làm aerogel từ silica, alumina, gelatin và nhiều chất khác.
Mấu chốt của ông là tránh lực mao dẫn. Khi chất lỏng bay hơi bình thường khỏi một lỗ nano, mặt phân cách lỏng–khí tạo áp suất mao dẫn tỷ lệ nghịch với bán kính lỗ. Với lỗ vài chục nanomet, áp suất này đủ để kéo sập khung rắn mảnh, gel co lại thành xerogel đặc, mất phần lớn độ xốp. Kistler đưa chất lỏng lên trên điểm tới hạn, nơi không còn phân biệt lỏng và khí, nên không còn mặt phân cách, không còn mao dẫn, rồi xả khí ra từ từ.
Aerogel sau đó bị lãng quên nhiều thập kỷ vì quy trình chậm và nguy hiểm: Kistler dùng ethanol siêu tới hạn ở nhiệt độ và áp suất cao. Lĩnh vực hồi sinh từ thập niên 1970–1980 nhờ tiền chất alkoxide silicon dễ kiểm soát và việc thay ethanol bằng CO2 siêu tới hạn, có điểm tới hạn chỉ khoảng 31 °C và 74 bar, an toàn hơn nhiều.
Cấu trúc: chuỗi hạt nano và mạng lỗ liên thông
Dưới kính hiển vi điện tử, aerogel silica là mạng ba chiều của các hạt silica sơ cấp đường kính vài nanomet, dính với nhau thành chuỗi và cụm, giống chuỗi ngọc trai rối. Giữa chúng là lỗ liên thông, phần lớn thuộc dải mesopore (2–50 nm). Diện tích bề mặt riêng thường từ 500 đến hơn 1.000 m² mỗi gam, nghĩa là vài gam aerogel có diện tích bề mặt bằng một sân bóng đá.
Khối lượng riêng của aerogel silica dùng trong cách nhiệt khoảng 0,1–0,2 g/cm³, tức nặng gấp khoảng một trăm lần không khí nhưng nhẹ hơn nước năm đến mười lần. Các mẫu kỷ lục trong phòng thí nghiệm nhẹ hơn nhiều, đến mức khối lượng riêng chỉ vài lần không khí, nhưng chúng không có giá trị kỹ thuật vì quá mỏng manh. Aerogel graphene và aerogel ống nano carbon cũng từng được báo là nhẹ nhất, tuỳ cách đo có tính hay không tính khí trong lỗ.
Màu xanh nhạt của aerogel silica đến từ tán xạ Rayleigh trên các cấu trúc nhỏ hơn bước sóng ánh sáng, cùng cơ chế làm bầu trời có màu xanh: ánh sáng bước sóng ngắn bị tán xạ mạnh hơn. Đây là ví dụ đẹp cho việc vi cấu trúc quyết định tính chất quang học mà không cần thay đổi thành phần hoá học.
Vì sao aerogel cách nhiệt tốt hơn không khí: ba kênh truyền nhiệt bị chặn
Dẫn nhiệt qua pha khí bị chặn bởi hiệu ứng Knudsen. Ở áp suất khí quyển, quãng đường tự do trung bình của phân tử không khí khoảng 70 nm. Khi lỗ nhỏ hơn hoặc cỡ quãng đường này, phân tử khí va vào thành lỗ nhiều hơn va vào nhau, nên năng lượng nhiệt khó lan qua pha khí. Kết quả là phần đóng góp của khí giảm xuống dưới mức của không khí tự do. Hút chân không lỗ sẽ giảm thêm nữa.
Dẫn nhiệt qua pha rắn đi đường vòng. Silica khối dẫn nhiệt khá kém, và trong aerogel nhiệt phải đi theo chuỗi hạt nhỏ xíu, ngoằn ngoèo, tiếp xúc qua cổ hạt hẹp. Đường truyền dài và nhiều điểm thắt khiến đóng góp của pha rắn rất nhỏ dù silica chiếm một phần thể tích.
Không có đối lưu. Lỗ quá nhỏ để khí chuyển động thành dòng. Với các vật liệu cách nhiệt bọt xốp hay bông khoáng, đối lưu trong khoang lớn là một kênh đáng kể.
Bức xạ hồng ngoại là điểm yếu. Silica gần như trong suốt với một số dải hồng ngoại, nên ở nhiệt độ cao, bức xạ trở thành kênh truyền nhiệt chính. Các sản phẩm cách nhiệt nhiệt độ cao vì thế thêm chất cản quang như carbon đen, titan dioxide hoặc silicon carbide để hấp thụ, tán xạ hồng ngoại.
Quy trình chế tạo aerogel silica
Quy trình cơ bản gồm ba giai đoạn, và mỗi giai đoạn có đòn bẩy riêng để điều khiển cấu trúc:
- Sol-gel: tiền chất như tetraethyl orthosilicate (TEOS) hoặc thuỷ tinh lỏng (natri silicate) thuỷ phân và ngưng tụ trong dung môi với chất xúc tác axit hoặc bazơ, tạo các hạt nano liên kết dần thành mạng gel lấp đầy bình. Xúc tác axit cho mạng dạng chuỗi mảnh, xúc tác bazơ cho hạt tròn và lỗ lớn hơn.
- Già hoá: để gel nằm trong dung dịch mẹ một thời gian để các cổ hạt dày lên nhờ hoà tan và tái kết tủa, khung cứng hơn trước khi sấy.
- Trao đổi dung môi: thay nước trong lỗ bằng dung môi phù hợp cho bước sấy, thường là ethanol rồi CO2 lỏng. Bước này chậm vì phụ thuộc khuếch tán qua mạng lỗ nano, có thể mất nhiều ngày với khối dày.
- Sấy siêu tới hạn: nâng nhiệt độ và áp suất vượt điểm tới hạn của CO2 trong nồi áp lực, rồi hạ áp từ từ ở nhiệt độ trên tới hạn. Đây là bước đắt nhất về thiết bị và thời gian.
- Sấy ở áp suất thường (thay thế): biến tính bề mặt bằng nhóm silyl kỵ nước để thành lỗ không còn nhóm OH dính nhau; khi sấy, mạng co lại rồi "bật" trở lại. Rẻ hơn nhiều, được dùng cho bột và hạt aerogel, nhưng khó cho khối nguyên vẹn lớn.
Thay TEOS đắt tiền bằng natri silicate rẻ, hoặc silica chiết từ tro trấu, là một hướng giảm chi phí được nhiều nhóm nghiên cứu ở các nước trồng lúa quan tâm, trong đó có Việt Nam. Tro trấu đốt kiểm soát chứa phần lớn là silica vô định hình, chuyển được thành natri silicate bằng xử lý kiềm. Khó khăn là tạp chất kim loại và độ đồng đều giữa các mẻ trấu.
Ứng dụng đã có và giới hạn của từng loại
Aerogel khối trong suốt đẹp trong ảnh nhưng ít dùng; phần lớn thị trường là aerogel kết hợp với vật liệu khác.
| Dạng sản phẩm | Ứng dụng tiêu biểu | Giới hạn |
|---|---|---|
| Chăn aerogel gia cường sợi | bọc ống dẫn dầu khí, hơi nóng, kho lạnh; nơi không gian chật cần cách nhiệt mỏng | phát bụi silica khi cắt, giá cao hơn bông khoáng nhiều lần |
| Tấm chắn nhiệt cho pin | ngăn lan truyền nhiệt giữa các cell trong khối pin xe điện | phải chịu nén, rung trong suốt vòng đời xe |
| Hạt aerogel trong suốt | kính cách nhiệt cho mái lấy sáng, tấm polycarbonate rỗng ruột nhồi hạt | tán xạ ánh sáng, không nhìn xuyên rõ được |
| Phụ gia vữa và sơn | vữa cách nhiệt cho cải tạo công trình cũ | hiệu quả giảm khi lỗ bị ngấm nước hoặc vữa xi măng lấp đầy |
| Aerogel khối | bẫy bụi vũ trụ, máy dò bức xạ Cherenkov trong vật lý hạt | giòn, chi phí rất cao |
Ứng dụng nổi tiếng nhất là tàu Stardust của NASA, phóng năm 1999, dùng các khối aerogel silica có mật độ biến thiên để bắt bụi từ sao chổi Wild 2 ở vận tốc cỡ 6 km/s mà hạt bụi không bị bốc hơi hoàn toàn; mẫu về Trái Đất năm 2006. Hạt bụi để lại những vệt hình củ cà rốt trong aerogel, cho phép các nhà khoa học lần theo và lấy hạt ra nghiên cứu.
Vì sao aerogel vẫn đắt và những hướng khắc phục
Chi phí aerogel đến từ ba nguồn: tiền chất silicon alkoxide, thời gian trao đổi dung môi tính bằng ngày, và nồi sấy siêu tới hạn chịu áp lực cao, mỗi mẻ chỉ xử lý được thể tích nhỏ. Tính theo thể tích, aerogel đắt hơn polystyrene hay bông khoáng nhiều lần. Nó chỉ thắng khi độ dày bị giới hạn: muốn cùng nhiệt trở, lớp aerogel mỏng bằng một nửa đến một phần ba các vật liệu thông thường, nên đáng tiền ở ống dẫn trong nhà máy chật, tường cải tạo không muốn mất diện tích sử dụng, hay khối pin xe điện.
Điểm yếu cơ học là rào cản thứ hai. Aerogel silica nguyên chất giòn, chạm mạnh là vỡ vụn, và bụi silica vô định hình dù ít nguy hại hơn silica tinh thể vẫn gây kích ứng đường hô hấp, cần biện pháp bảo hộ khi thi công. Các hướng cải tiến gồm aerogel lai polymer, aerogel polyimide dẻo, aerogel cellulose và aerogel gia cường sợi.
Rào cản thứ ba là độ bền môi trường. Aerogel silica chưa biến tính hút nước mạnh, nước vào lỗ làm mất cấu trúc. Biến tính kỵ nước giải quyết phần lớn vấn đề ở nhiệt độ thường, nhưng nhóm hữu cơ bị phân huỷ khi nóng trên vài trăm độ C. Kỹ sư chọn vật liệu cần kiểm tra dữ liệu dẫn nhiệt theo nhiệt độ và sau lão hoá ẩm, chứ không chỉ con số ở 25 °C trong tờ thông số.
Phép tính nhanh: cần dày bao nhiêu để đạt cùng một nhiệt trở
Với lớp cách nhiệt phẳng, nhiệt trở R (m²·K/W) bằng độ dày d (m) chia cho hệ số dẫn nhiệt λ (W/m·K). Muốn đạt R = 2 m²·K/W, một mức thường gặp cho tường hay mái cách nhiệt tốt, độ dày cần là d = R × λ. Bảng dưới dùng giá trị λ tiêu biểu ở nhiệt độ phòng, chỉ để so sánh cấp độ; sản phẩm cụ thể có thể khác:
| Vật liệu | λ tiêu biểu (W/m·K) | Độ dày cần cho R = 2 | Nhận xét |
|---|---|---|---|
| Chăn aerogel silica | khoảng 0,015–0,020 | khoảng 3–4 cm | mỏng nhất trong nhóm vật liệu cắt được tại công trường |
| Tấm polyurethane cứng (PIR/PUR) | khoảng 0,022–0,028 | khoảng 4,5–5,5 cm | rẻ hơn nhiều, cháy được, cần lớp bảo vệ |
| Polystyrene (EPS) | khoảng 0,033–0,038 | khoảng 7 cm | rẻ nhất, phổ biến ở kho lạnh, thùng xốp |
| Bông khoáng | khoảng 0,035–0,040 | khoảng 7–8 cm | không cháy, cách âm tốt, hút ẩm nếu không có màng |
| Gạch đất nung đặc | khoảng 0,6–0,8 | khoảng 1,2–1,6 m | cho thấy tường gạch tự thân cách nhiệt kém |
Phép tính này cho thấy rõ vị trí kinh tế của aerogel: nếu không gian không bị giới hạn, thêm vài centimet EPS hay bông khoáng rẻ hơn rất nhiều so với dùng aerogel. Aerogel chỉ thắng khi mỗi centimet độ dày có giá cao, như lớp bọc ống trong nhà máy hiện hữu phải luồn qua giá đỡ cũ, mặt trong tường nhà phố hẹp ở đô thị Việt Nam, hay khoảng hở giữa các cell pin. Cũng cần nhớ λ của mọi vật liệu xốp tăng theo nhiệt độ và độ ẩm; tính toán cho đường ống hơi 200 °C phải dùng giá trị tại nhiệt độ trung bình của lớp cách nhiệt, không phải giá trị ở 25 °C.
Câu hỏi thường gặp
Aerogel có cháy không?
Aerogel silica vô cơ không cháy, chịu được nhiệt độ cao, đó là lý do nó được dùng cách nhiệt công nghiệp. Tuy nhiên các sản phẩm biến tính kỵ nước chứa nhóm hữu cơ, và chăn aerogel có thể dùng sợi polymer gia cường, nên khả năng chống cháy của sản phẩm cuối phụ thuộc thành phần. Cần xem chứng nhận phân loại cháy của từng sản phẩm.
Vì sao áo khoác aerogel không phổ biến?
Aerogel cách nhiệt tốt khi đứng yên, nhưng quần áo bị gấp, nén, cọ xát liên tục, làm vỡ vụn cấu trúc và phát bụi. Bông lông vũ và sợi tổng hợp phục hồi độ phồng sau khi nén, aerogel thì không. Một số sản phẩm dùng aerogel cho đế giày hoặc lớp lót ở vùng ít uốn, chủ yếu mang tính thử nghiệm.
Aerogel có hấp thụ dầu tràn được không?
Aerogel kỵ nước có diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao nên hấp thụ dầu gấp nhiều lần khối lượng của nó, đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm. Rào cản thực tế là giá thành so với vật liệu hấp thụ rẻ như sợi polypropylene, khả năng thu hồi dầu và tái sử dụng sau nhiều chu kỳ.
Aerogel có phải chất độc không?
Aerogel silica có thành phần là silica vô định hình, được coi là ít độc. Mối lo chủ yếu là bụi mịn khi cắt, xé sản phẩm: gây khô da, kích ứng mắt và đường hô hấp. Khuyến cáo thông thường là đeo găng, kính, khẩu trang lọc bụi phù hợp và làm việc nơi thông gió.
Có aerogel không làm từ silica không?
Có nhiều loại: aerogel carbon dẫn điện dùng cho siêu tụ điện, aerogel từ cellulose nano và các polymer sinh học, aerogel polyimide dẻo dùng trong hàng không vũ trụ, aerogel graphene và oxide kim loại. Mỗi loại đổi một phần khả năng cách nhiệt lấy độ dẻo, độ dẫn điện hoặc khả năng phân huỷ sinh học.
So với tấm cách nhiệt chân không thì aerogel thế nào?
Tấm cách nhiệt chân không có hệ số dẫn nhiệt còn thấp hơn aerogel nhiều khi còn nguyên vẹn, nhưng không cắt, khoan được tại công trường và mất phần lớn hiệu quả nếu thủng vỏ. Aerogel kém hơn về con số nhưng chịu được cắt, uốn, xuyên vít. Trong thực tế hai loại thường bổ trợ nhau.