Aerogel ist ein synthetisches poröses ultraleichtes Material, das von einem Gel abgeleitet ist, in dem die flüssige Komponente für das Gel durch ein Gas ersetzt wurde. Das Ergebnis ist ein Feststoff mit extrem niedriger Dichte und geringer Wärmeleitfähigkeit. Zu den Spitznamen gehören gefrorener Rauch, fester Rauch, feste Luft, feste Wolken, blauer Rauch aufgrund seiner transluzenten Natur und die Art und Weise, wie Licht in das Material eindringt. Es fühlt sich wie zerbrechliches expandiertes Polystyrol an. Aerogele können aus einer Vielzahl von chemischen Verbindungen hergestellt werden.

Aerogel wurde zuerst von Samuel Stephens Kistler im Jahr 1931 als Folge einer Wette mit Charles Learned über, wer die Flüssigkeit in „Gelees“ mit Gas ersetzen konnte, ohne Schrumpfung zu verursachen.

Aerogele werden hergestellt, indem die flüssige Komponente eines Gels durch superkritisches Trocknen extrahiert wird. Dies ermöglicht, dass die Flüssigkeit langsam abgetrocknet wird, ohne dass die feste Matrix in dem Gel aufgrund der Kapillarwirkung kollabiert, wie dies bei konventioneller Verdampfung der Fall wäre. Die ersten Aerogele wurden aus Kieselgelen hergestellt. Kistlers spätere Arbeiten umfassten Aerogele auf Basis von Aluminiumoxid, Chromoxid und Zinndioxid. Carbon Aerogele wurden erstmals in den späten 1980er Jahren entwickelt.

Aerogel ist kein einzelnes Material mit einer festgelegten chemischen Formel, stattdessen wird der Begriff verwendet, um alle Materialien mit einer bestimmten geometrischen Struktur zu gruppieren.

IUPAC-Definition
Aerogel: Gel besteht aus einem mikroporösen Feststoff, in dem die dispergierte Phase ein Gas ist.

Anmerkung 1: Mikroporöses Siliciumdioxid, mikroporöses Glas und Zeolithe sind übliche Beispiele für Aerogele.

Anmerkung 2: Korrigiert aus Lit., wobei die Definition eine Wiederholung der falschen Definition eines Gels ist, gefolgt von einem unexplizierten Bezug auf die Porosität der Struktur.

Eigenschaften
Aerogele sind trotz ihres Namens feste, feste und trockene Materialien, die in ihren physikalischen Eigenschaften kein Gel darstellen: Der Name kommt daher, dass sie aus Gelen bestehen. Das sanfte Drücken auf ein Aerogel hinterlässt typischerweise keine leichte Spuren; drückender fest wird eine dauerhafte Depression hinterlassen. Das extrem starke Pressen führt zu einem katastrophalen Zusammenbruch der spärlichen Struktur, was dazu führt, dass sie wie Glas bricht (eine Eigenschaft, die als Brüchigkeit bekannt ist), obwohl modernere Varianten darunter nicht leiden. Trotz der Tatsache, dass es zum Zerbrechen neigt, ist es strukturell sehr stark. Seine beeindruckende Belastbarkeit beruht auf der dendritischen Mikrostruktur, in der kugelförmige Partikel mittlerer Größe (2-5 nm) zu Clustern verschmolzen sind. Diese Cluster bilden eine dreidimensionale hochporöse Struktur aus fast fraktalen Ketten mit Poren knapp unter 100 nm. Die durchschnittliche Größe und Dichte der Poren kann während des Herstellungsprozesses kontrolliert werden.

Aerogel ist ein Material, das zu 99,8% aus Luft besteht. Aerogele haben ein poröses, festes Netzwerk, das Lufttaschen enthält, wobei die Lufttaschen den größten Teil des Raums einnehmen.Das Fehlen von festem Material ermöglicht Aerogel fast schwerelos.
Aerogele sind gute Wärmeisolatoren, da sie zwei der drei Methoden der Wärmeübertragung – Leitung (sie bestehen meist aus Isoliergas) und Konvektion (die Mikrostruktur verhindert eine Gasbewegung) – fast zunichte machen. Sie sind gut leitende Isolatoren, da sie fast ausschließlich aus Gasen bestehen, die sehr schlechte Wärmeleiter sind. (Siliciumdioxid-Aerogel ist ein besonders guter Isolator, da Siliciumdioxid auch ein schlechter Wärmeleiter ist; ein Metall- oder Kohlenstoff-Aerogel andererseits wäre weniger wirksam.) Sie sind gute konvektive Inhibitoren, weil Luft nicht durch das Gitter zirkulieren kann. Aerogele sind schlechte Strahlungsisolatoren, weil Infrarotstrahlung (die Wärme überträgt) durch sie hindurchgeht.

Aufgrund seiner hygroskopischen Eigenschaft fühlt sich Aerogel trocken an und wirkt als starkes Trocknungsmittel. Personen, die länger mit Aerogel arbeiten, sollten Handschuhe tragen, um das Auftreten von trockenen spröden Stellen auf der Haut zu verhindern.

Die geringe Farbe, die es hat, ist auf die Rayleigh-Streuung der kürzeren Wellenlängen des sichtbaren Lichts durch die nanometergroße dendritische Struktur zurückzuführen. Dies bewirkt, dass es vor dunklen Hintergründen rauchblau und vor hellen Hintergründen gelblich erscheint.
Aerogele selbst sind hydrophil, aber chemische Behandlung kann sie hydrophob machen. Wenn sie Feuchtigkeit absorbieren, erleiden sie gewöhnlich eine strukturelle Veränderung, wie Kontraktion, und verschlechtern sich, aber der Abbau kann verhindert werden, indem sie hydrophob gemacht werden. Aerogele mit hydrophobem Inneren sind weniger anfällig für Degradation als Aerogele mit nur einer äußeren hydrophoben Schicht, selbst wenn ein Riss die Oberfläche durchdringt.

Knudsen-Effekt
Aerogele können eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die kleiner ist als die des Gases, das sie enthalten. Dies wird durch den Knudsen-Effekt verursacht, eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit in Gasen, wenn die Größe des Hohlraums, der das Gas umgibt, mit der mittleren freien Weglänge vergleichbar ist. Effektiv begrenzt der Hohlraum die Bewegung der Gasteilchen, was die Wärmeleitfähigkeit zusätzlich zur Beseitigung der Konvektion verringert. Zum Beispiel beträgt die Wärmeleitfähigkeit von Luft bei STP und in einem großen Behälter etwa 25 mW / m · K, nimmt jedoch in einer 30 nm großen Pore auf etwa 5 mW / m · K ab.

Struktur
Die Aerogelstruktur resultiert aus einer Sol-Gel-Polymerisation, bei der Monomere (einfache Moleküle) mit anderen Monomeren reagieren, um ein Sol oder eine Substanz zu bilden, die aus gebundenen, vernetzten Makromolekülen mit Ablagerungen von flüssiger Lösung zwischen ihnen besteht. Wenn das Material kritisch erhitzt wird, verdampft die Flüssigkeit und der verbundene vernetzte Makromolekülrahmen bleibt zurück. Das Ergebnis der Polymerisation und kritischen Erwärmung ist die Erzeugung eines Materials, das eine poröse starke Struktur aufweist, die als Aerogel klassifiziert ist. Variationen in der Synthese können die Oberfläche und Porengröße des Aerogels verändern. Je kleiner die Porengröße ist, desto anfälliger ist das Aerogel zu brechen.

Wasserabdichtung
Aerogel enthält Partikel mit 2-5 nm Durchmesser. Nach dem Prozess der Herstellung von Aerogel, wird es eine große Menge an Hydroxylgruppen auf der Oberfläche enthalten. Die Hydroxylgruppen können eine starke Reaktion verursachen, wenn das Aerogel in Wasser gegeben wird, wodurch es sich katastrophal im Wasser löst. Eine Möglichkeit, das hydrophile Aerogel wasserdicht zu machen, besteht darin, das Aerogel mit einer chemischen Base zu tränken, die die Oberflächenhydroxylgruppen (-OH) durch nichtpolare Gruppen (-OR) ersetzt, ein Verfahren, das am wirksamsten ist, wenn R eine aliphatische Gruppe ist.

Porosität von Aerogel
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Porosität von Aerogel zu bestimmen: Die drei Hauptmethoden sind Gasadsorption, Quecksilberporosimetrie und Streumethode. Bei der Gasadsorption wird Stickstoff in seinem Siedepunkt in die Aerogelprobe adsorbiert. Das adsorbierte Gas hängt von der Größe der Poren in der Probe und vom Partialdruck des Gases relativ zu seinem Sättigungsdruck ab. Das Volumen des adsorbierten Gases wird unter Verwendung der Brunauer, Emmit und Teller-Formel (BET) gemessen, die die spezifische Oberfläche der Probe angibt. Bei hohem Partialdruck in der Adsorption / Desorption liefert die Kelvin-Gleichung die Porengrößenverteilung der Probe. Bei der Quecksilberporosimetrie wird das Quecksilber in das poröse Aerogelsystem gedrückt, um die Größe der Poren zu bestimmen, aber dieses Verfahren ist sehr ineffizient, da der feste Rahmen des Aerogels aufgrund der hohen Kompressionskraft kollabieren wird. Das Streuverfahren beinhaltet die winkelabhängige Ablenkung der Strahlung innerhalb der Aerogelprobe. Die Probe kann feste Teilchen oder Poren sein. Die Strahlung geht in das Material ein und bestimmt die fraktale Geometrie des Aerogel-Poren-Netzwerks. Die besten zu verwendenden Strahlungswellenlängen sind Röntgenstrahlen und Neutronen. Aerogel ist auch ein offenporiges Netzwerk: Der Unterschied zwischen einem offenen porösen Netzwerk und einem geschlossenen porösen Netzwerk besteht darin, dass Gase im offenen Netzwerk ohne Einschränkung in die Substanz eintreten und diese verlassen können, während ein geschlossenes poröses Netzwerk die Gase innerhalb des Materialzwangs einfängt sie bleiben in den Poren. Die hohe Porosität und Oberfläche von Kieselsäure-Aerogelen ermöglicht ihre Verwendung in einer Vielzahl von Umweltfiltrationsanwendungen.

Materialien

Kieselsäure
Silica Aerogel ist die häufigste Art von Aerogel, und am intensivsten untersucht und verwendet. Es basiert auf Siliciumdioxid und kann aus Kieselgel oder einem modifizierten Stober-Verfahren gewonnen werden. Der Silica-Nanoschaum mit der geringsten Dichte wiegt 1.000 g / m3. Dies ist die evakuierte Version des Record-Aerogels mit 1.900 g / m3. Die Luftdichte beträgt 1.200 g / m3 (bei 20 ° C und 1 atm). Ab 2013 hatte aerographen eine niedrigere Dichte bei 160 g / m3, oder 13% die Dichte der Luft bei Raumtemperatur.

Die Kieselsäure erstarrt zu dreidimensionalen, ineinander verschlungenen Clustern, die nur 3% des Volumens ausmachen. Die Leitung durch den Feststoff ist daher sehr gering. Die restlichen 97% des Volumens bestehen aus Luft in extrem kleinen Nanoporen. Die Luft hat wenig Bewegungsspielraum und hemmt sowohl die Konvektion als auch die Gasphasenleitung.

Silica-Aerogele haben auch eine hohe optische Transmission von ~ 99% und einen niedrigen Brechungsindex von ~ 1,05.

Es hat bemerkenswerte wärmeisolierende Eigenschaften mit einer extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit: von 0,03 W / (m · K) bei atmosphärischem Druck bis zu 0,004 W / (m · K) bei mäßigem Vakuum, was R-Werten von 14 bis 105 entspricht (US-amerikanisch) oder 3,0 bis 22,2 (metrisch) für 3,5 Zoll (89 mm) Dicke. Zum Vergleich ist eine typische Wandisolierung 13 (US-amerikanisch) oder 2,7 (metrisch) für die gleiche Dicke. Sein Schmelzpunkt ist 1.473 K (1.200 ° C; 2.192 ° F).

Bis 2011 hielt Silica Aerogel 15 Einträge in Guinness World Records für Materialeigenschaften, einschließlich der besten Isolator und Low-Density-Solid, obwohl es von der letzteren Titel durch die noch leichteren Materialien Aerographit im Jahr 2012 verdrängt und dann im Jahr 2013 Aerographen.

Kohlenstoff
Kohlenstoff-Aerogele bestehen aus Partikeln mit Größen im Nanometerbereich, die kovalent miteinander verbunden sind. Sie haben eine sehr hohe Porosität (über 50%, mit Porendurchmesser unter 100 nm) und Oberflächenbereiche zwischen 400-1000 m² / g. Sie werden oft als Verbundpapier hergestellt: Vliespapier aus Kohlenstoffasern, imprägniert mit Resorcin-Formaldehyd-Aerogel und pyrolysiert. Abhängig von der Dichte können Kohlenstoffaerogele elektrisch leitend sein, wodurch Verbund-Aerogelpapier für Elektroden in Kondensatoren oder Deionisierungselektroden nützlich ist. Aufgrund ihrer extrem großen Oberfläche werden Kohlenstoff-Aerogele verwendet, um Superkondensatoren mit Werten von bis zu Tausenden von Farad bei einer Kapazitätsdichte von 104 F / g und 77 F / cm3 zu erzeugen. Kohlenstoff-Aerogele sind auch im Infrarotspektrum extrem „schwarz“ und reflektieren nur 0,3% der Strahlung zwischen 250 nm und 14,3 μm, was sie für Solarenergie-Kollektoren effizient macht.

Der Ausdruck „Aerogel“ zur Beschreibung luftiger Massen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die durch bestimmte chemische Aufdampftechniken erzeugt werden, ist falsch. Solche Materialien können zu Fasern mit einer größeren Festigkeit als Kevlar und einzigartigen elektrischen Eigenschaften versponnen werden. Diese Materialien sind jedoch keine Aerogele, da sie keine monolithische innere Struktur aufweisen und nicht die für Aerogele typische Porenstruktur aufweisen.

Metalloxid
Metalloxid-Aerogele werden als Katalysatoren in verschiedenen chemischen Reaktionen / Umwandlungen oder als Vorstufen für andere Materialien verwendet.

Aerogele, die mit Aluminiumoxid hergestellt werden, sind als Aluminiumoxid-Aerogele bekannt.Diese Aerogele werden als Katalysatoren verwendet, insbesondere wenn sie mit einem anderen Metall als Aluminium „dotiert“ sind. Nickel-Aluminiumoxid-Aerogel ist die gebräuchlichste Kombination. Alumina Aerogele werden auch von der NASA für die Erfassung von Hypervelocity-Teilchen betrachtet; eine Formulierung, die mit Gadolinium und Terbium dotiert war, konnte an der Teilchenauftreffstelle fluoreszieren, wobei die Menge an Fluoreszenz von der Aufprallenergie abhängig war.

Einer der bemerkenswertesten Unterschiede zwischen Siliciumdioxid-Aerogelen und Metalloxid-Aerogel besteht darin, dass Metalloxid-Aerogele häufig verschieden gefärbt sind.

Aerogel	Farbe
Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkonoxid	Klar mit Rayleigh-Streuung blau oder weiß
Eisenoxid	Rost rot oder gelb, undurchsichtig
Chromia	Tiefgrün oder tiefblau, undurchsichtig
Vanadia	Olivgrün, undurchsichtig
Neodymoxid	Lila, transparent
Samaria	Gelb, transparent
Holmia, Erbia	Rosa, transparent

Andere
Organische Polymere können verwendet werden, um Aerogele zu erzeugen. SEAgel besteht aus Agar. Cellulose aus Pflanzen kann verwendet werden, um ein flexibles Aerogel zu erzeugen.

Chalcogel ist ein Aerogel aus Chalkogenen (die Säule der Elemente des Periodensystems, beginnend mit Sauerstoff) wie Schwefel, Selen und anderen Elementen. Metalle, die weniger teuer als Platin sind, wurden bei ihrer Herstellung verwendet.

Aerogele aus Cadmiumselenid-Quantenpunkten in einem porösen 3-D-Netzwerk wurden für den Einsatz in der Halbleiterindustrie entwickelt.

Die Aerogel-Leistung kann für eine spezifische Anwendung durch Zugabe von Dotierstoffen, verstärkenden Strukturen und hybridisierenden Verbindungen erhöht werden. Aspen Aerogels stellt Produkte wie Spaceloft her, bei denen es sich um Verbundstoffe aus Aerogel mit einer Art Faserwatte handelt.

Bio-basierte Alternativen (Bioaerogele)
Das bekannteste Aerogel basiert auf Siliziumdioxid, aber die Forscher wollen Bio-Aerogele herstellen, die möglicherweise stärker sind als Siliziumdioxid.

Das Seagel ist ein Material, das dem organischen Aerogel aus Agar ähnlich ist, mit einem Geschmack und einer Textur, die an Reiskuchen erinnern.

Das Maerogel besteht aus seinem Grundreis (hauptsächlich in der Reisindustrie) und reduziert die Kosten im Vergleich zu anderen Verfahren. Dieser Prozess ermöglicht es, die Kosten um sechs zu teilen.

Das Aérocektin wird aus Zitrusschalen (2015) hergestellt, ist aber zu hygroskopisch, um einen Isolator herzustellen.

Stärke-Aerogel (eigentlich eine Mischung aus Amylose und Amylopektin), die beispielsweise Mais oder besser Erbse sein kann. Es ist auch sehr hygroskopisch, könnte aber vielleicht mit einer Beschichtung bedeckt sein, die es stabiler und hydrophober macht. Es ist stärker als das Silica Aerogel, aber mit einem Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit etwas weniger gut, aber dennoch etwa 0,021 W m -1 K -1 (0,025 bis etwa 0,035 und die Luft W m -1 K -1 für Steinwolle und Polystyrol.

Ihre thermische Leistung konnte während der Herstellung verbessert werden: Die in Wasser gelöste Stärke wurde unter einem bestimmten Druck und Temperatur gerührt und mechanisch gerührt, um die Körner zu brechen und zu dispergieren, wurde dann auf 4 ° C („Retrogradations“ -Phase) abgekühlt und geliert, bevor sie ersetzt wurde ein Lösungsmittel während einer superkritischen Trocknungsphase (Aceton könnte dort Ethanol ersetzen) und dann wird das Lösungsmittel desorbiert und durch Luft ersetzt. Das Fitnesszentrum für Materialien (Cemef) Mines Paris-Tech untersucht dieses Material.

Herstellung
Im Prinzip besteht die Herstellung des Aerogels darin, die flüssige Komponente eines Silicagels (für Silica-Aerogel) durch Gas zu ersetzen. Technisch ist der Prozess komplexer. Tatsächlich neigt die Struktur des Gels dazu, zusammenzubrechen, wenn es einfach getrocknet wird. Es wird porös und zerbröckelt.

In der Praxis wird Hydrogel, ein Silicagel, das insbesondere für weiche Kontaktlinsen verwendet wird, unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen getrocknet, indem das Wasser durch eine Flüssigkeit wie Ethanol in Gegenwart eines „Vorläufers“, des Siliciumoxidalkoxids, ersetzt wird. Das Alkoxid ist eine Art Katalysator für die Reaktion. Es besteht aus einem Alkohol und Silikon. Seine Formel ist Si (OR) 4. Diese Reaktion erzeugt Siliciumdioxid:
Wenn (OCH ₂ CH ₃ ) _{4 (Liq.)} + 2H ₂ O _(Liq.) → SiO _{2 (fest)} + 4HOCH ₂ CH _{3 (Liq.)} .

Siliciumdioxid ist eine stabile Mineralverbindung der Formel SiO2. Dann kommt ein Verfahren, das überkritische Trocknung genannt wird (in Englisch: überkritisches Trocknen). In der Thermodynamik ist der kritische Punkt eine Übergangsphase zwischen Flüssigkeiten und Gasen. Grundsätzlich sind die Flüssigkeits- und Dampfzustände mikroskopisch identisch: Sie sind durch eine Unordnung von Atomen oder Molekülen gekennzeichnet. Außerdem gibt es einen Druck und eine Temperatur (als kritisch bezeichnet), für die diese Koexistenzkurve flüssig-gasförmig plötzlich aufhört. Jenseits ist der Körper weder flüssig noch gasförmig; es ist eine flüssige Phase. Durch diesen Prozess wird Alkohol aus dem Gel entfernt. Dieser Vorgang wird in einem Autoklaven bei Drücken im Bereich von 50 bis 60 bar, Temperaturen von 5 bis 10ºC und für 12 Stunden bis 6 Tage durchgeführt. Das Ziel ist dann erreicht, die Flüssigkeit wurde durch ein Gas ohne die Struktur des Gels kollabierenden oder reduzierenden Volumen ersetzt.

Es gibt Verfahren zur Herstellung von Aerogel bei Umgebungstemperatur und -druck, aber sie werden für den Augenblick von Industriellen geheim gehalten.

Produktion
Aerogele werden hergestellt, indem ein Gel aus gelatinösem Material, meist Silica, unter extremen Bedingungen getrocknet wird. Die erste Synthese von Silicat-Aerogelen wurde 1931/32 von Samuel Stephens Kistler durchgeführt. Er entwickelte zuerst eine Methode, um Gele ohne sie zu trocknen, es hatte eine Schrumpfung.

Silikat Aerogel nach Kistler
Kistler verwendete Natriumsilikat, das er mit Wasser zu einer Lösung mischte (Wasserglas). Nach der Zugabe eines Fällungsreagenzes fiel Salzsäure mit der Zeit aus (Fällungsreaktion), die durch die Brownsche Bewegung unkoordiniert in der Lösung verteilt und dabei auch kollidierte.

Oder:

Aufgrund der allmählichen Adhäsion aggregierten diese Partikel im Laufe der Zeit und innerhalb von etwa einem Tag ergab sich ein Gel mit netzartiger Struktur. Von diesem wurde das Natriumchlorid und die überschüssige Salzsäure mit Wasser (Aquagel) gespült, gefolgt von einer Verdrängung mit Alkohol (Alkogel). Dieser Schritt ist notwendig, da andernfalls das Wasser die Gelstruktur zerstören würde, wenn der Prozess fortschreitet. Verflüchtigt sich der Alkohol langsam, bilden sich aufgrund der auf das Gel einwirkenden Oberflächenkräfte Menisken, die sich im Gel „vergraben“ und im Gel eine gangige Struktur hervorrufen. Dies würde mit einer Schrumpfung des Gels verbunden sein und infolgedessen eine poröse Struktur mit nur etwa 50% Porosität aufweisen, was jedoch gerade zu vermeiden war. Kistler pflegte daher einen Autoklaven zu verwenden und erhöhte Temperatur und Druck über den kritischen Punkt des Alkohols, so dass sich ein überkritisches Fluid bildete. Dieser Vorgang wird als überkritisches Trocknen bezeichnet. Die Phasengrenze zwischen Gas und Flüssigkeit wurde somit aufgehoben; Oberflächenkräfte, die im anderen Fall zur Bildung von Menisken geführt hätten, existierten nicht mehr. Das überkritische Fluid wurde dann aus dem Autoklaven geblasen, wodurch das Produkt getrocknet und schließlich ein Aerogel wurde. Das Aerogel hatte die Größe und Form des ursprünglichen Gels beibehalten, wobei die von Kistler hergestellten Silicat-Aerogele eine Dichte von etwa 30 bis 300 kg / m 3 hatten und eine Porosität im Bereich von 86 bis 98% hatten. Das Herstellungsverfahren nach Kistler hatte jedoch den Nachteil, lang und teuer zu sein, was insbesondere den Lösungsmittelaustausch vor dem Verdampfen des Alkohols betraf.

Verfahren nach Teichner – der Sol-Gel-Prozess
Stanislas Teichner versuchte in den 1960er Jahren an der Universität Lyon das Verfahren von Kistler zu reproduzieren, obwohl er Wochen brauchte, um kleinere Aerogelproben herzustellen. Als Alternative entwickelte er 1968 das heute als Standardverfahren verwendete Sol-Gel-Verfahren, das 1986 weiter verbessert wurde. Ausgangsmaterial ist hier das toxische Tetramethylorthosilikat (TMOS), das gemäß § 2 zu Orthokieselsäure und Methanol langsam hydrolysiert die Reaktionsgleichung unten mit einer definierten Menge Wasser nach der Zugabe eines Katalysators.

Dadurch wird Wasser von der Kieselsäure abgespalten und SiO 2 -Tetraeder gebildet. Diese vernetzen sich dann zu einem Gel. Die Trocknung des entstandenen Alkogels entspricht wiederum dem Verfahren nach Kistler, wobei das Methanol kritische Werte von 239,4 ° C und 80,9 bar aufweist. Die Eigenschaften des so gebildeten Aerogels, insbesondere Struktur und Dichte, können durch die Wahl des Katalysators, den pH-Wert oder den Anteil der eingesetzten Substanzen, insbesondere des Methanols, gesteuert werden. Das Verfahren wird heute bei DESY und in Lund angewendet.

Andere Verfahren
In einem anderen Verfahren produziert eine Forschungsgruppe unter Arlon Hunt an der University of California in Berkeley anstelle des toxischen TMOS aus Tetraethylorthosilikat (TEOS) Aerogelstücke.Außerdem wird das brennbare Ethanol durch Kohlendioxid ersetzt, was sehr zeitaufwendig ist. Ein Vorteil ist die relativ niedrige kritische Temperatur des Kohlendioxids bei 31 ° C, was den Trocknungsprozess erheblich erleichtert.

Ein anderes Verfahren wird bei der BASF in Ludwigshafen am Rhein eingesetzt, wo insbesondere Aerogelpellets (Granulate) mit einem Durchmesser von etwa einem bis sechs Millimetern und einer Dichte von etwa 200 kg / m 3 hergestellt werden. Schwefelsäure und Natriumsilikat werden durch Aufsprühen auf einen Kolben mit einer Mischdüse umgesetzt. Dies führt zur Bildung von Alkalisalzen, die durch eine Nachbehandlung ausgewaschen werden müssen. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in den vergleichsweise geringeren Kosten, der Nachteil ist insbesondere in optischen Eigenschaften des Granulats zu sehen.

Carbon Aerogele (CRF) werden überwiegend durch Pyrolyse von Resorcin – Formaldehyd – Aerogelen (RF) hergestellt. Bei der Herstellung der Resorcin-Formaldehyd-Aerogele kann anstelle der überkritischen Trocknung eine günstigere Lufttrocknung verwendet werden.

Anwendungen
Da der Brechungsindex der Aerogele in einem Bereich liegt, der mit Gasen, Flüssigkeiten oder konventionellen Festkörpern nicht erreichbar ist, spielen sie als sogenanntes Strahlermaterial für Cherenkov-Detektoren eine wichtige Rolle; Carbon Aerogele auch wegen ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und Stabilität in der Materialforschung für Elektrodenmaterial in Primär- und Brennstoffzellen, Fahrzeugkatalysatoren und Superkondensatoren.

Speichermedium
Aufgrund ihrer hohen Porosität wurden Aerogele zunächst mit dem Ziel entwickelt, Speichermöglichkeiten für Gase und Feststoffe zu erhalten. In den 1960er Jahren wurden Aerogele auf ihre Eignung als Speichermedien für flüssigen Raketentreibstoff getestet.

Filterung
Aufgrund ihrer feinen Struktur können Aerogele als Sammelmatrix für kleinste Staubpartikel verwendet werden. Sie wurden daher an Bord des „Kometenstaub-Raumschiffs“ Stardust eingesetzt.Die eingefangenen Staubpartikel und Moleküle werden im Aerogel langsam abgebremst, so dass sie nicht thermisch zerstört werden. So ist es dir gelungen. ein. auch zum ersten Mal, ohne Material von einem Kometen (Wild 2) auf die Erde zu bringen.

Wärmedämmung
Insbesondere Silikat-Aerogele weisen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf und werden daher häufig als Isoliermaterial für spezielle Anwendungen (z. B. als transparente Wärmedämmung) eingesetzt; Seit Anfang 2013 wird in der Schweiz ein entsprechender Spezialputz mit zusätzlichem Aerogelgranulat verkauft.

Kosmetik und Haarpflege
Feine, hydrophobe Aerogelpartikel aus Silica-Silylaten werden unter anderem als Fixierpulver in Kosmetika und als Volumen- und Stylingpulver in der Haarpflege eingesetzt.

Apotheke
Pharmazeutisches Silica-Aerogel wird als ein Trocknungs- und Lösungsmittel sowie als ein Träger verwendet.

Aerogele werden für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet:

Im Jahr 2004 wurden rund 25 Millionen US-Dollar an Aerogel-Dämmstoffen verkauft, die bis 2013 auf rund 500 Millionen US-Dollar gestiegen sind. Dies ist der größte wirtschaftliche Einfluss dieser Materialien. Das Potenzial, konventionelle Isolierungen durch Aerogel-Lösungen im Bauwesen und in der industriellen Isolierung zu ersetzen, ist von großer Bedeutung.

In körniger Form, um Oberlichter zu isolieren. Das Solar Decathlon House Projekt des Georgia Institute of Technology 2007 verwendete ein Aerogel als Isolator im halbtransparenten Dach.

Ein chemischer Adsorber zur Beseitigung von verschütteten Flüssigkeiten.
Ein Katalysator oder ein Katalysatorträger.
Silica- Aerogele können in Bildgebungsvorrichtungen, Optiken und Lichtleitern verwendet werden.
Ein Material für die Filtration aufgrund seiner großen Oberfläche und Porosität, für die Entfernung von Schwermetallen verwendet werden.
Verdickungsmittel in einigen Farben und Kosmetika.
Als Komponenten in Energieabsorbern.
Laserziele für die National Ignition Facility der Vereinigten Staaten.
Ein Material, das in Impedanzanpassungen für Wandler, Lautsprecher und Entfernungsmesser verwendet wird.
Die kommerzielle Herstellung von Aerogel-Decken begann um 2000 mit der Kombination von Silica-Aerogel und faseriger Verstärkung, die das spröde Aerogel zu einem haltbaren, flexiblen Material macht. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Produkts können basierend auf der Wahl der Verstärkungsfasern, der Aerogelmatrix und der Trübungsadditive, die in dem Verbundstoff enthalten sind, variiert werden.
Die NASA benutzte ein Aerogel, um Staubpartikel an Bord der Stardust-Raumsonde einzufangen.Die Partikel verdampfen beim Aufprall auf Feststoffe und gelangen durch Gase, können aber in Aerogelen eingeschlossen werden. Die NASA verwendete auch Aerogel zur Wärmeisolierung des Mars Rover und Raumanzügen.
Die US Navy bewertet Aerogel-Unterwäsche als passiven Wärmeschutz für Taucher.
In der Teilchenphysik als Heizkörper in Cherenkov-Effektdetektoren, wie dem ACC-System des Belle-Detektors, verwendet im Belle-Experiment bei KEKB. Die Eignung von Aerogelen wird durch ihren niedrigen Brechungsindex, die Lücke zwischen Gasen und Flüssigkeiten und ihre Transparenz und ihren festen Zustand bestimmt, wodurch sie leichter zu verwenden sind als kryogene Flüssigkeiten oder komprimierte Gase. Ihre geringe Masse ist auch für Weltraummissionen von Vorteil.
Resorcin-Formaldehyd-Aerogele (Polymere, die Phenol-Formaldehyd-Harzen chemisch ähnlich sind) werden als Vorläufer für die Herstellung von Kohlenstoff-Aerogelen verwendet, oder wenn ein organischer Isolator mit großer Oberfläche erwünscht ist. Sie kommen als hochdichtes Material mit einer Oberfläche von etwa 600 m² / g.
Metall-Aerogel-Nanokomposite, die durch Imprägnieren des Hydrogels mit einer Lösung, die Ionen eines Übergangsmetalls enthält, und Bestrahlen des Ergebnisses mit Gammastrahlen erhalten, präzipitieren Nanopartikel des Metalls. Solche Verbundwerkstoffe können als Katalysatoren, Sensoren, elektromagnetische Abschirmung und in der Abfallentsorgung verwendet werden. Eine prospektive Verwendung von Platin-auf-Kohlenstoff-Katalysatoren ist in Brennstoffzellen.
Als ein System zur Abgabe von Arzneimitteln aufgrund seiner Biokompatibilität. Aufgrund seiner großen Oberfläche und seiner porösen Struktur können Medikamente aus überkritischem CO2 adsorbiert werden. Die Freisetzungsrate der Arzneimittel kann durch Variieren der Eigenschaften des Aerogels maßgeschneidert werden.
Kohlenstoff-Aerogele werden beim Aufbau von kleinen elektrochemischen Doppelschicht-Superkondensatoren verwendet. Aufgrund der großen Oberfläche des Aerogels können diese Kondensatoren 1 / 2000stel bis 1 / 5000stel der Größe von ähnlich bewerteten Elektrolytkondensatoren sein. Aerogel-Superkondensatoren können im Vergleich zu normalen Superkondensatoren eine sehr niedrige Impedanz aufweisen und können sehr hohe Spitzenströme absorbieren oder erzeugen. Gegenwärtig sind solche Kondensatoren polaritätsempfindlich und müssen in Reihe geschaltet werden, um eine Arbeitsspannung von mehr als etwa 2,75 V zu erreichen.
Dunlop Sport verwendet Aerogel in einigen seiner Schläger für Tennis, Squash und Badminton.
Bei der Wasserreinigung haben sich Chalkogele beim Absorbieren der Schwermetallverunreinigungen Quecksilber, Blei und Cadmium aus Wasser als vielversprechend erwiesen.
Aerogel kann Unordnung in superfluides Helium-3 einführen.
Bei der Flugzeugenteisung wird in einem neuen Vorschlag ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Aerogel verwendet. Ein dünner Faden wird auf einem Wickler zu einer 10 Mikron dicken Folie gesponnen, die einem A4-Blatt Papier entspricht. Die Menge an Material, die benötigt wird, um die Flügel eines Jumbo-Jets zu bedecken, wiegt 80 Gramm (2,8 oz). Aerogel-Heizungen könnten kontinuierlich mit geringer Leistung eingeschaltet bleiben, um die Bildung von Eis zu verhindern.
Wärmedämm-Übertragungstunnel der Chevrolet Corvette (C7).
CamelBak verwendet Aerogel als Isolierung in einer Thermosportflasche.
45 North verwendet Aerogel als Palmisolierung in seinen Sturmfist 5 Fahrradhandschuhen.

Sicherheit
Aerogele auf Kieselgelbasis sind nicht als krebserregend oder toxisch bekannt. Sie sind jedoch eine mechanische Reizung der Augen, der Haut, der Atemwege und des Verdauungssystems. Kleine Kieselsäureteilchen können beim Einatmen potentiell Silikose verursachen. Sie können auch Trockenheit der Haut, der Augen und der Schleimhäute verursachen. Daher wird empfohlen, bei der Handhabung oder Verarbeitung von Aerogelen nur Schutzkleidung, einschließlich Atemschutz, Handschuhe und Augenschutzbrillen zu tragen.