مادة هلام السيليكا والهلام الهوائي

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الكيمياء

يشكل هلام السيليكا المثال التالي لمادة تمتلك مسامات أكبر حجماً من 2 إلى 50 نانومتر. تتواجد هذه المادة داخل تلك الأكياس الصغيرة واسعة الانتشار المتواجدة في قوارير الأقراص الدوائية وعبوات التعليب الأخرى من أجل تأدية دور عوامل تجفيف (الشكل 4.2).

يستعمل هلام السيليكا كمجفف لأنه يمتلك مساحة سطح كبيرة. فهلام سيليكا نموذجي يمتلك مساحة سطح تساوي تقريباً 3 ملايين مرة مساحة بلورة الكوارتز.

تعتبر الزيوليتات مواد بلورية وتكون أبعاد الأنفاق في كل زيوليت منتظمة. ومع ذلك، هناك حدود بالنسبة لدرجة كبر حجم القفص أو النفق الذي يمكن بناؤه مع المحافظة على التنضيد المنتظم للأقفاص.

ويمكن النظر إلى هلام السيليكا كشبكة عشوائية لجسيمات نانومترية تلتصق مع بعضها ويتألف كل منها من شبكة عشوائية من رباعيات الوجوه المتشاركة بالرؤوس. إن هذا ما يقود إلى زيادة هائلة في مساحة السطح الفعالة للمادة لأن مساحة السطح هي مجموع مساحات سطوح كل الجسيمات النانومترية.

كيميائياً، هلام السيليكا هو شكل زجاجي مسامي لأوكسيد السيليكون، وهو يُحضر بتسخين الرمل وهيدروكسيد الصوديوم لتشكيل سيليكات الصوديوم التي تُحل فيما بعد في الحمض، ويتبلمر المحلول الناتج لتشكيل هلام أوكسيد سيليكون متميه.

 

يتم بعدئذ الحصول على هلام السيليكا بتسخين الهلام لإزالة الماء. وقد حصل والتر باتريك (Walter Patrick) على براءة اختراع عملية إنتاج هلام السيليكا عام 1918 وكانت أول تطبيقاته تصنيع أقنعة الغاز خلال الحرب العالمية الأولى (Patrick 1918) حيث كان الغاز السام يُدمص نوعياً من قبل هلام السيليكا عندما يمر الهواء فوقه.

من أجل زيادة إضافية لمسامية المواد المصنعة من الرمل، علينا التمكن من تحاشي انكماش الهلام خلال التجفيف. وينتج الانكماش عن التوتر السطحي للسائل بين الجسيمات النانومترية الذي يشدها إلى بعضها. ويمكن تحاشي مشكلة التوتر السطحي إذا تم تجفيف المادة تحت شروط تسمى الشروط فوق الحرجة.

في درجة الحرارة والضغط العاديين، يمكن للمادة أن تتواجد إما كسائل أو كبخار، لكن مع زيادة درجة الحرارة والضغط يتناقص الفرق في الكثافة بين السائل والبخار.

وفوق درجة حرارة وضغط يسميان النقطة الحرجة، لا يوجد فرق بين السائل والبخار ولا يوجد، بالنتيجة حد ولا توتر سطحي. ويعطي تجفيف مادة مسامية في ثنائي أوكسيد الكربون فوق الحرج مواد تسمى الهلامات الهوائية مع أبعاد مسامات فعالة أكبر من 50 نانومتر (انظر الشكل 4.2).

طور برينكر (Brinker) وزملاؤه طريقة أخرى لتصنيع الهلامات الهوائية تحت الشروط العادية  (Deshpande et al. 1993) حيث يُطلى السطح، على سبيل المثال، بثلاثي ميثيل السيلان الذي يحافظ على شكله خلال التجفيف.

تمتلك الهلامات الهوائية بعض أقل الكثافات لأي جسم صلب، وبالنتيجة، أكبر المسامات وتوفر هذه المواد الجديدة تطبيقات كمواد عازلة فائقة الفعالية وقد استعملت كمواد عازلة على متن مركبة المريخ.

 

يُظهر الشكل 9.2 بشكلٍ حيوي الخواص العازلة حيث لا تؤدي حرارة المشعل إلى صهر الأقلام المستندة على الهلام الهوائي.

وتمثل بعثة ستاردست (Stardust) التي سيرت صاروخاً عبر ذيل المذنب ويلد-2 (Wild 2) مثالاً آخر على استعمال الهلام الهوائي الذي يَسترِد عينات من الغبار في ذيل المذنب ويعيدها إلى الأرض.

كان الصاروخ يسير بسرعة هائلة وكان التحدي في تخفيض سرعة الغبار بلطف في ذيل المذنب وجعل الغبار يترسب على الهلام الهوائي دون صهر أو تبخر جسيمات الغبار.

لقد وفرت كثافة الهلام الهوائي المنخفضة جداً ما يكافئ شبكة فراشة رقيقة تفقد فيها جسيمات الغبار ببطءٍ طاقتها الحركية مع عبورها داخل الهلام الهوائي، وتنحو بلطف إلى السكون (Baker 2006 and Burnett 2006).

ولقد أُثبتت فعالية شبكة الفراشة هذه عبر اكتشاف آثار من الحمض الآميني الغليسين (glycine) في غبار المذنب. ويشير ظهور الغليسين إلى أن المذنبات قد بعثت إلى الكواكب الشبيهة بالأرض جزيئات ما قبل حيوية من الفضاء (http://stardust.jpl.nasa.gov/news/news115.html).  

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]