Die poröseste aller Materialkategorien: Aerogele

Aerogele bezeichnen manche als „gefrorenen Rauch“. Das kann man verstehen, wenn man das Bild der NASA von einem Block Silikat-Aerogel anschaut (die Überlegung ging dahin, das Material für Gewächshäuser auf dem Mars einzusetzen). Das Material schimmert rauchig-blau und fühlt sich warm an. Allerdings ist „gefrorener Rauch“ keine gute Analogie für den Zustand des Materials, „getrocknetes Gel“ beschreibt die Sache eher.

Das Problem

Warum erhält man einen dichten, flachen, rissigen Rückstand, wenn man eine Portion Götterspeise eintrocknen lässt, und kein Aeorgel? Die folgende Abbildung beschreibt das Problem bei der Herstellung dieser Substanzklasse.

Gele und Aerogele

Gelbildung

Die erste Zeichnung (a) in der Abbildung stellt den Zustand dar, wenn z. B. etwas Gelatine frisch mit Wasser übergossen wird: Die Eiweißketten, aus denen Gelatine besteht, sind fest zusammengeknäuelt und sehr kompakt. Es ist etwas Wärme notwendig, um sie zu entknäueln – Wasser dringt in die Molekülknäuel ein, umhüllt jede Kette in dicken, viellagigen Schichten und treibt sie auseinander. Wenn genug Gelatine und nicht zu viel Wasser da ist, umschlingen sich die molekukaren Ketten gegenseitig (im Fall von Gelatine kommt es nicht zu einer chemischen Vernetzung), bilden ein Netz aus und es entsteht das bekannte Gel (b).

Entwässerung des Gels

Wenn man das Wasser entzieht, etwa durch Trocknenlassen, passiert (d). Die Molekülketten, ihres dicken Wassermantels beraubt, lagern sich wieder aneinander, weil das energetisch günstiger ist als wenn sie frei stehen bleiben. Das Material wird wieder zunehmend kompakter, das Volumen schrumpft, Risse bilden sich. Diese Strukturen nennt man Xerogele, ihre Porosität ist zwischen 5 und 50%.

Was man nicht bekommt ist (c): Dies ist ein Aerogel, also in der Struktur fast wie ein mit Wasser oder einem anderen Lösungsmittel gefülltes Gel, allerdings enthält dieses hier Luft. Die Maschen des Netzwerkes sind steif, sie kollabieren nicht und lagern sich auch nicht aneinander. Um diesen Zustand zu erhalten, muss man den Zwischenzustand beim Entzug des Lösungsmittels kontrollieren, bei dem die Ketten schon aneinanderstreben, aber auch noch flexibel genug sind, um sich entsprechend zu bewegen. Die Ketten müssen sich in einem gewissen Maße zusammenlagern und stabilisieren, dann aber so stehenbleiben.

Die Geschichte der Aerogele

Der Legende nach wettete der Chemiker Samuel S. Kistler 1931/32 – die Zeit ist nicht genau bekannt – mit seinem Kollegen, wer als erstes das Lösungsmittel aus einem Gel entfernen könne, ohne dass es an Volumen verliert. Kistler löste das Problem, indem er das Wasser gegen einen Alkohol austauschte und diesen dann in einem Autoklaven unter überkritischen Bedingungen verdampfte. Das Verfahren dauerte allerdings sehr lange – mehrere Wochen für eine einzige Probe.

Es dauerte weitere 30 Jahre, bis ein anderer Forscher das Verfahren aus der Mottenkiste der Forschung zog und daran weiterarbeitete.

Heute werden viele Aerogele nicht mit überkritischem Alkohol, sondern mit überkritischem Kohlendioxid hergestellt. Dies ist ein gut etabliertes Lösungsmittel, welches zum Beispiel für die Entkoffeinierung von Kaffee verwendet wird.

Einen beispielhaften Review über die Herstellung von Aerogelen aus biologischen Materialien kann man auf der Website der Zeitschrift „Materials“ lesen: „Review on the Production of Polysaccharide Aerogel Particles„.

Wer es chemisch genau wissen möchte, kann den folgenden Open-Access-Artikel lesen: Silica Aerogel: Synthesis and Applications

Eigenschaften der Aerogele

• Aerogele sind offenporige Schäume
• Prinzipiell können sie aus allem bestehen, was auch Gele bildet: Kiesel- oder Aluminiumoxidgele, Stärken, Alginate, Zellulose, Carbon. Einen Review über die Herstellung und Eigenschaften von Carbon-Aerogelen kann man hier lesen: Carbon Aerogel for Insulation Applications: A Review
• Ihre Porosität kann bis zu 99,9% betragen – d. h. ein Liter Aerogel enthält nur 1 cm³ kompaktes Material.
• Aerogele sind sehr schalldämpfend, weil die Schallgeschwindigkeit im Aerogel stark absinkt.
• Ihre Wärmeleitfähigkeit ist sehr niedrig, nämlich zwischen 0,005 – 0,1 W/m*K. Zum Vergleich: Luft hat 0,026 W/m*K, Steinwolle wird mit 0,04 W/m*K angegeben.
• Aerogele können transparent sein (wenn auch nicht glasklar) oder opak, farbig oder farblos.
• Oxidische Aerogele – z. B. aus Silikaten oder Zirkonia – sind chemisch relativ beständig und sehr temperaturstabil – bis zu 1.000 °C, was bedeutet, dass man mit einem Brenner direkt dagegenfeuern kann, ohne dass das Aerogel zerstört wird. Die Temperaturbeständigkeiten anderer Aerogele werden angegeben als: Polymere (RF) Aerogele bis 250 °C, Kohlenstoff ohne Sauerstoff bis 2.000 °C, an der Luft bis 450 °C.
• Die innere Oberfläche kann bis zu 2.000 m²/g betragen und kann chemisch funktionalisiert werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, Partikel (magnetisch, farbig, wirkstofffreisetzend…) in das Gel einzuschließen.
• Die Druckfestigkeit der Aerogele kann recht hoch sein. Bilder, in denen ein 10 kg-Gewicht auf einem Blöckchen Aerogel steht, oder einer der Forscher sich daraufgestellt hat, werden immer wieder publiziert.
• Mittlerweile kann man auch gummiartig flexible, nicht nur harte und spröde Aerogele herstellen.
• Alle diese Eigenschaften haben die Aerogele bei extrem niedrigem Raumgewicht. Im Extremfall haben Aerogele ein Raumgewicht wie 0,18 kg/m³ für ein Carbon-Aerogel.
• Die für einen festen Stoff extrem niedrige Dichte lässt Aerogele wie einen zusätzlichen Aggregatzustand wirken. Ob diese Bezeichnung berechtigt ist, wird in einem Review, der auch einen Überblick über die verschiedenen Materialklassen und ihre Herstellverfahren gibt, diskutiert: A Special Material or a New State of Matter: A Review and Reconsideration of the Aerogel

Anwendungen

• Am schnellsten war die Baubranche: Die Kombination von geringem Gewicht und extremen Isoliereigenschaften macht Aerogele geeignet als Füllmaterial für Bauelemente, aber auch in Verbundwerkstoffen. Die recht spröden Werkstoffen mussten bislang immer in ein Gehäuse (z. B. in Platten) eingebaut werden, oder in kleinen Partikeln in Matten oder ähnliches eingearbeitet werden. Mit Aerogelen kann man auch den Zwischenraum eines Isolierglases füllen, was dann ein halbtransparentes und sehr stark dämmendes Fenster ergibt, gut z. B. für Dachflächen. Einen ausführlichen Review über diese Anwendungen mit Produktfotos gibt es hier: A review of state-of-the-art aerogel applications in buildings.
• Als Bindemittel in Gießereisänden, wie z. B. in diesem Patent des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. nachzulesen.
• Experimenteller ist die Anwendung als drug delivery-Material oder als Bestandteil elektronischer Komponenten wie Batterien, Sensoren oder Magneten (Kohlenstoff-Aerogele leiten Strom direkt, andere Aerogele können mit leitenden Partikeln gefüllt werden).
• Hydrophobe Aerogele – aus Kohlenstoff oder entsprechend chemisch behandelter Zellulose – können als wiederverwendbare Ölbinder verwendet werden: Auf die Wasseroberfläche legen, einholen, Öl ausdrücken und die Aerogelmatte wieder auflegen.

Produkte im Handel

Es gibt einige Produkte für den Baubereich zu kaufen: Granulate, Pulver, Kacheln, Matten, Halbrohre etc.

Bastler, Chemielehrer und andere Interessierte können ebenfalls kleine Stücke, wie Zylinder, kaufen.

Eine Übersicht über Produkte und Lieferquellen gibt es auf http://www.buyaerogel.com/ (ich habe den Shop allerdings nicht getestet).