Aerogelove - love is in the gel...

W roku 2016 w księgarni Uniwersytetu Stanforda zobaczyłam książkę "Stuff Matters" Marka Miodownik, która opowiadała o „eksplorowaniu cudownych materiałów, które kształtują świat tworzony przez człowieka świat”. W książce znajdowało się jego zdjęcie, kiedy siedzi na betonowym tarasie, popija kawę z porcelanowej filiżanki i delektując się kawałkiem czekolady przygotowuje notatki na kawałku papieru. Każdy rozdział tej książki jest poświęcony pewnemu materiałowi z tego zdjęcia, historii jego odkrycia, zastosowań i przyszłych wyzwań. Wśród nich pojawia się także „cudowny” materiał – aerożel, najlepiej znany izolator termiczny, składający się w 1% z krzemionki i w 99% z pustej przestrzeni.

Dla Marka Miodownika historia rozpoczęła się 20 lat temu, gdy pracował w laboratorium jądrowym w Nowym Meksyku dla rządu USA. Pewnego razu, przebywając w laboratorium, zauważył technika, który wyjmował z mikroskopu opalizującą, lekko niebieskawą, dziwną próbkę, która wyglądała jak hologram. Na początku pomyślał, że jest tak dziwna, że musiała zostać stworzona przez obce istoty i przesłana na Ziemię statkiem kosmicznym. Pomimo dociekań czym jest ten tajemniczy materiał, nie otrzymał zbyt wielu informacji na temat "duchowego materiału", okrytego klauzulą tajności.

Ostatecznie jego ciekawość została zaspokojona w styczniu 2004 roku, gdy projekt Stardust NASA złapał cząstki z ogona komety Wild2. Cząsteczki pyłu miały prędkość porównywalną do prędkości wystrzelonego pocisku – 6/km na godzinę, powstało więc pytanie jak złapać coś tak szybkiego zarazem nie niszcząc jego wewnętrznej struktury? Dr Steven Jones z Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA wpadł na genialne rozwiązanie: zaproponował wytworzenie aerożelu o gradientowej gęstości dla optymalnego rozpraszania energii. Naukowcy w NASA musieli czekać sześć lat, aż kapsuła wróci, aby sprawdzić, czy to był dobry wybór. Okazało się, że tak, ponieważ cząsteczki zostały delikatnie osadzone w strukturze aerożelu, przynosząc informacje z czasów formowania się Układu Słonecznego.

Ten lekki jak niebo materiał, o gęstości porównywalnej z gęstością powietrza został wynaleziony w latach 30. XX wieku przez Samuela Kistlera, inżyniera chemicznego na Uniwersytecie Stanforda. Pracując w laboratorium, zawarł zakład ze swoim przyjacielem Charlesem Learnedem „żeby sprawdzić czy uda się zastąpić ciecz wewnątrz słoika z galaretką, bez efektów kurczenia się”, co było trudnym zadaniem ze względu na siłę kapilarną. Całkowity sukces tego eksperymentu zaowocował opublikowaniem artykułu na temat aerożeli i galaretek w czasopiśmie Nature w 1932 roku. Przez dziesięciolecia sposób produkcji był zbyt kosztowny, aby można było je komercyjnie stosować, ale obecna technologia pozwala obniżyć koszty produkcji, a aerożele, ze względu na zestaw zdumiewających, adsorpcyjnych, akustycznych i właściwości izolacyjnych termicznych, ponownie zyskują coraz większą uwagę.

Mieliśmy okazję poznać Dr Mihail P. Petkova z Jet Propulsion Laboratory w NASA, który współpracował blisko ze Stevenem Jonesem  i brał udział w kilku misjach marsjańskich, takich jak Spirit and Opportunity 2003, Curiosity 2012, InSight 2018. Rozmowa z nim była doskonałą „okazją” aby poczuć „ducha” zaspokoić naszą „ciekawość” dostarczyć nam naukowego „wglądu” w strukturę aerożeli.

Zaptaliśmy go o definicję.

Dr Mihail P. Petkov: Aerożele to klasa materiałów zol-żelowych, które zwykle są przygotowywane w dwóch etapach: poprzez tworzenie roztworu i jego żelowanie. Roztwór zawiera funkcjonalizowane nanocząstki powstałe z wybranego prekursora. Następnie dodaje się katalizator, który tworzy stałą sieć, z pułapkowanym wewnątrz rozpuszczalnikiem, nazywanym mokrym żelem. Mokry żel można wysuszyć na trzy różne sposoby:

1. nadkrytycznie, unikając przekroczenia linii przejścia fazowego cieczy-para w diagramie fazowym ciśnienia-temperatury, aby uniknąć zapadania się porów pod wpływem siły kapilarnej. Te materiały nazywane są one aerogelami;
2. kriogeniczne, aby przekroczyć granicę fazową ciało stałe-para; nazywane są one kriogelami;
3. warunkach atmosferycznych, co powoduje powstanie cieczy w porach, prowadząc do zapadania się porów, ale jest to najtańszy sposób, na który stawia cały przemysł. Nazywane są one kserogelami.

Charakteryzując aerożele (kserożele lub kriożele) wykorzystuje się metodę polegającą na adsorpcji azotu (metoda BET, od Brunauera-Emmetta-Tellera) i  skaningową mikroskopię elektronową w celu sprawdzenia rozmiarów porów. Te parametry pokazują jak dobry jest otrzymany materiał, gdyż rozmiar porów i powierzchnia właściwa są czymś co identyfikuje własności aerożelu jak imię osoby.

Podczas gdy naukowcy szukają prawdy, artyści zwracają uwagę na piękno. Mogą to być dwa uzupełniające się sposoby opisywania i rozumienia tej samej rzeczywistości. "Prawda" i "piękno" były pierwotnymi nazwami najcięższej komplementarnej pary kwarków, zidentyfikowanych jako "t" i "b", niestety, te nazwy nigdy się nie przyjęły.

Doktor Ioannis Michaloudis to artysta, który od dawna zajmuje się tematyką aerożeli. W artykule opublikowanym w 2014 roku w Acta Astronautica: „Etherospermia: Sztuka koncepcyjna, nauka i alegoria w projekcie zasiewania nieba”, zauważa, że chociaż nauka potrafi dostarczać informację o rzeczywistości poprzez przeprowadzenie eksperymentów i analizę wyników, to nie daje pełnego doświadczenia, zwłaszcza w przypadku aerożelu – materiału „trójwymiarowego”. W przeciwieństwie do sztywnej metodologii naukowej, która potrafi mierzyć obiekty w przestrzeni geometrycznej, sztuka daje możliwość ich odczuwania poprzez „wizualno-senso-motoryczne postrzeganie”, w tzw. przestrzeni reprezentatywnej – termin wprowadzony przez francuskiego matematyka Henriego Poincaré'a. Tutaj piękno wynika z wewnętrznej struktury i efektów rozpraszania światła, które decydują o kolorach aerożelu: jasnoniebieski, pojawiający się, gdy aerożel znajduje się na czarnym tle, a żółto-pomarańczowy, gdy światło przechodzi przez niego w trybie transmisji. To ten sam powód, dla którego jesteśmy w stanie cieszyć się kolorami nieba zamiast spoglądać w czarną przestrzeń. Być może zainspirowani pięknem otwieramy umysł, zaczynamy zadawać pytania, a potem szukamy odpowiedzi, co prowadzi do lepszego zrozumienia i w końcu jeszcze większej wdzięczności. Jest to bardzo bliskie innemu cytatowi Henriego Poincaré'a: „Gdyby natura nie była piękna, nie warto byłoby jej poznawać, a gdyby natura nie była warta poznawania, życie nie byłoby warte życia”. Dlatego nie powinniśmy traktować podejścia naukowego i artystycznego jako dwóch alternatywnych opisów, lecz raczej dwóch uzupełniających się wizji tej samej rzeczywistości.

Naturalne piękno i wewnętrzny duch aerogelu stają się jasne, gdy masz szansę zapoznać się ze sztuką Ioannisa Michaloudisa i jego aer()sculptures: Icare, I care, (L)imited Sky, (M)other Earth(s). To nie tylko sposób prezentowania idei w postaci rzeźby, ale także sztuka inspiracji  i gra poetycka ze znaczeniem słów. Ioannis powiedział nam również, że rolą sztuki jest zadawanie pytań, a rolą nauki jest szukanie odpowiedzi. Pytanie, które postawił sobie, było prawdziwym wyzwaniem: Czy można dotknąć nieba? Włożyć je między palce? Poczuć coś, co nie jest łatwo mierzyć, a stanowi mniej niż 1% materiału. Ze swoją pasją nieba rozpoczął projekt aby wykorzystując areożel stworzyć przenośny zachód słońca, a także ulotną chmurę wewnątrz stałej części nieba. Jego sygnał SOS „Ratujcie nasze niebo” przywołuje konieczność ochrony nieba i atmosfery, niezbędnej dla istnienia ludzkiego. Szczególnie w tym właśnie momencie, gdy borykamy się tak bardzo z zanieczyszczeniem powietrza i śmieciami kosmicznymi. Ta wiadomość,  nie zostanie zapomniana przez potencjalnie miliony kolejnych lat, ponieważ dwa z jego dzieł z aerozelem zostały wybrane do projektu MoonArk, księżycowego muzeum, utworzonego przez Uniwersytet Carnegie Mellon.

"Aerogelove", czytane po polsku, oznacza wykonane z aerożeli. Jakie rzeczy będzie można wytwarzać z aerogelu – materiału przyszłości? Ioannis ma tutaj również ma radę: mając pomysł, należy zacząć wizualizować i szkicować, decydując o kształcie, materiale i nie zapominając o kolorze. Przyszłość kształtuje się dzięki naszej wyobraźni i wdrażaniu pomysłów. Jak to mówią „sky has no limits”, zwłaszcza dla materiału lekkiego jak niebo.

Autor: Aleksandra Szkudlarek