Aerogel là một chất rắn xốp được tạo ra bằng cách rút hết chất lỏng khỏi một khối gel mà không làm bộ khung của nó sụp xuống. Thứ còn lại là một mạng lưới siêu mảnh, phần lớn thể tích là khí, nên nó nhẹ đến mức trông như làn khói đông cứng và cách nhiệt tốt hơn cả lớp không khí đứng yên. Loại phổ biến nhất làm từ silica, cùng gốc với cát và thuỷ tinh, nhưng cấu trúc thì khác hẳn.
Một khối "khói đông" trông như thế nào
Đặt một mẩu aerogel silica lên bàn, bạn thấy một khối mờ xanh nhạt, mép hơi nhoè như bị chụp ảnh lệch nét. Nhìn qua nền tối nó ánh xanh, nhìn qua nền sáng nó ngả vàng. Cầm lên thì gần như không cảm thấy trọng lượng, bề mặt khô, hơi nhám như phấn.
Màu xanh ấy không phải chất nhuộm. Bên trong aerogel là vô số lỗ rỗng và hạt silica cỡ vài chục nanomet, nhỏ hơn bước sóng ánh sáng nhìn thấy nhiều lần. Những cấu trúc nhỏ như vậy tán xạ ánh sáng xanh mạnh hơn ánh sáng đỏ, cùng một cơ chế với bầu trời có màu xanh. Phần ánh sáng đi xuyên qua bị mất bớt màu xanh nên ngả vàng.
Biệt danh "khói đông lạnh" (frozen smoke) là tên báo chí đặt, không phải thuật ngữ. Aerogel không lạnh, cũng không phải khói. Nó là một chất rắn thật sự, có thể cắt, khoan, đặt vật lên trên, chỉ là rất giòn.
Samuel Kistler và câu hỏi về khối thạch
Người làm ra aerogel đầu tiên là nhà hoá học Mỹ Samuel Stephens Kistler, vào khoảng năm 1931. Theo các bản kể lại phổ biến, ông muốn chứng minh rằng bên trong một khối thạch (gel) có một bộ khung rắn liên tục, chứ không chỉ là chất lỏng sệt. Muốn chứng minh, phải lấy được chất lỏng ra mà bộ khung vẫn còn nguyên.
Cái khó nằm ở bề mặt chất lỏng. Khi một gel bị phơi khô bình thường, chất lỏng rút dần khỏi các lỗ nhỏ. Tại mặt phân cách giữa lỏng và khí, sức căng bề mặt kéo mạnh vào thành lỗ. Ở kích thước nanomet, lực kéo đó đủ để bóp sụp toàn bộ mạng lưới, và khối gel co lại thành một mẩu cứng đặc, giống như thạch rau câu để quên ngoài trời.
Kistler né được vấn đề bằng một mẹo của nhiệt động học: đưa chất lỏng lên trên điểm tới hạn. Ở nhiệt độ và áp suất đủ cao, ranh giới giữa lỏng và khí biến mất, chất lỏng trở thành một "chất lưu siêu tới hạn" không còn bề mặt. Khi không có bề mặt thì không có sức căng bề mặt. Lúc đó chỉ cần xả áp từ từ, chất lưu thoát ra như khí, bộ khung đứng yên. Ông công bố kết quả trên tạp chí Nature năm 1931 và cho thấy cách làm này dùng được với nhiều loại gel khác nhau, không riêng silica.
Phương pháp của Kistler tốn công và nguy hiểm vì phải nung rượu ở áp suất cao. Vài chục năm sau, các phòng thí nghiệm chuyển sang dùng CO₂ lỏng, vốn có điểm tới hạn ở khoảng 31 °C, an toàn hơn nhiều. Đó là cách phần lớn aerogel silica được sấy ngày nay.
Vì sao nó nhẹ và cách nhiệt giỏi đến vậy
Phần lớn là khí
Một khối aerogel silica thông thường có độ rỗng trên 90%, nhiều mẫu lên tới khoảng 99%. Khối lượng riêng của loại dùng làm vật liệu cách nhiệt thường vào khoảng 0,1 g/cm³, tức nhẹ hơn nước khoảng mười lần. Những mẫu làm ra để lập kỷ lục còn nhẹ hơn nhiều, có loại aerogel gốc carbon và graphene được công bố nhẹ cỡ vài phần mười miligam mỗi cm³, xấp xỉ mật độ của chính không khí. Các con số kỷ lục này thay đổi theo từng công bố và cách đo, nên nên hiểu là "nhẹ ngang không khí" chứ đừng ghi nhớ một con số cố định.
Ba đường truyền nhiệt đều bị chặn
Nhiệt đi qua vật liệu bằng ba đường: dẫn qua chất rắn, đối lưu và dẫn qua chất khí, và bức xạ.
- Dẫn qua chất rắn: bộ khung silica cực mảnh và ngoằn ngoèo, nhiệt phải đi một con đường rất dài qua những "cây cầu" tí hon.
- Qua chất khí: lỗ rỗng nhỏ hơn quãng đường mà một phân tử khí thường bay được trước khi va vào phân tử khác. Phân tử khí va vào thành lỗ nhiều hơn va vào nhau, nên khó chuyển nhiệt. Không khí trong aerogel vì thế dẫn nhiệt kém hơn không khí tự do.
- Bức xạ: silica tinh khiết để lọt khá nhiều tia hồng ngoại. Các sản phẩm thương mại thường trộn thêm bột carbon hoặc chất cản hồng ngoại để chặn đường này.
Kết quả là hệ số dẫn nhiệt của aerogel silica có thể thấp hơn lớp không khí đứng yên. Bức ảnh nổi tiếng một bông hoa đặt trên tấm aerogel mỏng, bên dưới là ngọn lửa, mà hoa không héo, minh hoạ đúng điều đó.
Bẫy bụi sao chổi: aerogel trên tàu Stardust
Ứng dụng nổi tiếng nhất của aerogel là sứ mệnh Stardust của NASA. Tàu phóng năm 1999, bay qua sao chổi Wild 2 năm 2004 và đưa một khoang mẫu về Trái Đất vào tháng 1 năm 2006.
Bài toán là bắt những hạt bụi bay tới với tốc độ khoảng 6 km/s, nhanh gấp nhiều lần viên đạn, mà không làm chúng bốc hơi. Đâm vào kim loại thì hạt bụi tan thành hơi ngay. Đâm vào aerogel thì khác: hạt xuyên vào, bị khung xốp hãm dần, để lại một vệt hình củ cà rốt dài gấp hàng trăm lần kích thước của nó và nằm lại ở đầu vệt. Các kỹ sư còn chế tạo aerogel có mật độ tăng dần từ ngoài vào trong để hãm hạt nhẹ nhàng hơn.
Vì aerogel trong suốt, các nhà khoa học có thể soi kính hiển vi tìm vệt và cắt lấy từng hạt. Việc tìm vệt bụi trên những tấm lớn tốn công tới mức dự án từng mời công chúng tình nguyện xem ảnh hiển vi qua mạng để đánh dấu vệt.
Trước đó, aerogel cũng đã đi lên Sao Hoả làm lớp cách nhiệt cho xe tự hành Sojourner năm 1997 và các xe đời sau, giữ ấm thiết bị điện tử qua những đêm âm hàng chục độ.
Aerogel trong đời thường: tấm chăn chứ không phải khối thuỷ tinh
Khối aerogel nguyên khối trong ảnh rất đẹp nhưng giòn, đắt và khó sản xuất cỡ lớn. Vì vậy hầu hết aerogel ngoài đời được bán ở dạng khác:
| Dạng | Mô tả | Dùng ở đâu |
|---|---|---|
| Chăn aerogel | Sợi thuỷ tinh hoặc sợi polyme tẩm aerogel, mềm, cuộn được | Bọc ống dẫn dầu khí, ống hơi nhà máy, tường mỏng cần cách nhiệt |
| Hạt và bột | Aerogel nghiền thành hạt | Nhồi vào kính hộp lấy sáng, vữa và sơn cách nhiệt |
| Khối nguyên | Aerogel silica trong suốt | Thiết bị khoa học, máy dò hạt, trưng bày |
| Aerogel gốc khác | Carbon, graphene, polyme, cellulose | Điện cực, hút dầu tràn, nghiên cứu |
Một số áo khoác, đế giày và lót găng tay quảng cáo có aerogel. Phần lớn là chăn mỏng hoặc lớp phủ có trộn aerogel, hiệu quả thật nhưng không thần kỳ: người mặc vẫn cần lớp giữ gió và lớp chống ẩm như bất kỳ áo ấm nào.
Aerogel silica ở dạng thường cũng ưa nước. Nếu ngấm nước, sức căng bề mặt lại bóp sụp khung khi khô. Vì vậy các sản phẩm cách nhiệt thường được xử lý kỵ nước bề mặt.
Dùng an toàn và những điều nên biết
Aerogel silica là silica vô định hình, khác với silica tinh thể trong bụi đá có thể gây bệnh bụi phổi. Dù vậy, bụi của nó rất mịn và hút ẩm mạnh. Khi cầm khối aerogel bằng tay trần, bạn sẽ thấy da khô rít như vừa nhúng vào bột. Bụi bay vào mắt gây cay, hít nhiều gây khó chịu đường hô hấp.
- Khi cắt, xé chăn aerogel trong công trình: đeo găng tay, kính bảo hộ và khẩu trang lọc bụi, làm theo bảng dữ liệu an toàn của nhà sản xuất.
- Mẫu aerogel nhỏ mua làm đồ sưu tầm: để trong hộp kín, cầm bằng găng tay nitrile để vừa bảo vệ da vừa không để dầu tay làm bẩn mẫu.
- Không nghiền aerogel ra để "thử" hít hay rắc lên da. Không có lý do gì làm vậy.
Góc nhìn hôm nay: điều gì làm aerogel "lạ"
Aerogel không phá vỡ định luật nào. Nó lạ vì nó cho thấy một ý tưởng quan trọng của khoa học vật liệu: cấu trúc quyết định tính chất nhiều không kém thành phần. Cùng là silica, khi xếp đặc thì thành thuỷ tinh cửa sổ, khi giữ ở dạng mạng lưới nanomet thì thành vật liệu cách nhiệt nhẹ như không. Câu hỏi "làm từ gì" chỉ trả lời được một nửa, nửa còn lại là "xếp như thế nào".
Bài học thứ hai là kỹ thuật sấy. Kistler không phát minh ra chất mới, ông phát minh ra một cách loại bỏ chất lỏng. Rất nhiều bước tiến trong vật liệu đến từ quy trình như vậy, chứ không phải từ một nguyên tố bí ẩn.
Muốn tìm hiểu thêm, trang của NASA về sứ mệnh Stardust có ảnh các vệt bụi trong aerogel và quy trình lấy hạt. Một số bảo tàng khoa học và hàng không vũ trụ trên thế giới trưng bày mẫu aerogel cho khách cầm thử dưới sự hướng dẫn. Ở nhà, bạn có thể thử một phép so sánh đơn giản để hiểu ý tưởng "khí bị nhốt cách nhiệt tốt": đặt hai cốc nước nóng, một cốc bọc lớp len xốp khô, một cốc bọc len đã ướt, rồi đo nhiệt độ sau 20 phút.
Câu hỏi thường gặp
Aerogel là gì?
Aerogel là chất rắn siêu xốp tạo ra khi rút hết chất lỏng khỏi một khối gel mà vẫn giữ nguyên bộ khung. Phần lớn thể tích của nó là khí, nên rất nhẹ và cách nhiệt tốt. Loại phổ biến nhất làm từ silica.
Aerogel nhẹ cỡ nào?
Aerogel silica dùng cách nhiệt thường có khối lượng riêng khoảng 0,1 g/cm³, nhẹ hơn nước khoảng mười lần. Các mẫu kỷ lục làm từ carbon hoặc graphene nhẹ xấp xỉ không khí, tuy con số cụ thể khác nhau theo từng công bố.
Vì sao aerogel có màu xanh nhạt?
Các hạt và lỗ rỗng bên trong nhỏ hơn bước sóng ánh sáng, tán xạ ánh sáng xanh mạnh hơn ánh sáng đỏ. Đây là cùng cơ chế làm bầu trời có màu xanh. Ánh sáng xuyên qua vì vậy hơi ngả vàng.
Ai phát minh ra aerogel?
Nhà hoá học Mỹ Samuel Stephens Kistler làm ra aerogel đầu tiên vào khoảng năm 1931 và công bố trên tạp chí Nature. Ông dùng sấy siêu tới hạn để loại chất lỏng mà không để sức căng bề mặt làm sụp khung gel.
Aerogel có độc không?
Aerogel silica là silica vô định hình, không được xếp vào nhóm gây bệnh bụi phổi như silica tinh thể. Tuy vậy bụi của nó làm khô da, cay mắt và khó chịu khi hít, nên cần găng tay, kính và khẩu trang khi cắt hoặc thi công.
Aerogel được dùng làm gì ngoài đời?
Phần lớn aerogel thương mại ở dạng chăn sợi tẩm aerogel để bọc ống công nghiệp và cách nhiệt công trình, hoặc ở dạng hạt nhồi trong kính và vữa. NASA từng dùng aerogel để bắt bụi sao chổi trên tàu Stardust và cách nhiệt xe tự hành Sao Hoả.
