Aerojel, oldukça düşük yoğunluğa sahip, gözenekli ve hafif yapısıyla bilinen bir katı maddedir. Genellikle bir jelin sıvı kısmının süperkritik kurutma yöntemiyle uzaklaştırılması sonucu geride sadece katı yapı ve gözenekli bir ağ bırakılarak elde edilir. Hacminin yaklaşık %98’i hava boşluklarından oluşmasına rağmen, yapısal bütünlüğü ve yüksek ısı yalıtım kapasitesiyle tanınır. İlk olarak 1931 yılında Samuel Stephens Kistler tarafından geliştirilen aerojeller; günümüzde havacılık ve uzaydan biyomedikal uygulamalara, enerji sistemlerinden yapı malzemelerine kadar çeşitli alanlarda kullanılmaktadır.

Geniş yüzey alanları, düşük ısı iletkenlikleri, yüksek gözeneklilikleri ve düşük yoğunlukları sayesinde aerojeller, nanoteknolojinin de ilgi alanına girer. Silika, karbon, metal oksit ve biyopolimer bazlı farklı aerojel türleri geliştirilmiş; her biri farklı kullanım alanlarına özel olarak optimize edilmiştir.

Aerojelin Tarihçesi ve Gelişimi

Aerojelin geçmişi 20. yüzyılın başlarına dayanmaktadır. Samuel Kistler, jel yapılarındaki sıvının çıkarılması sırasında çökme olmadan katı yapının nasıl korunabileceğini araştırmış ve bu süreç sonucunda ilk silika bazlı aerojeli sentezlemiştir.

Erken Dönem Çalışmaları

İlk üretilen silika aerojeller, oldukça kırılgan olmaları nedeniyle sınırlı kullanım alanına sahipti. Ancak zamanla karbon, alümina ve titanya gibi farklı malzemelerle yapılan çalışmalar sayesinde, çeşitli özelliklerde aerojeller geliştirilmiştir.

Modern Gelişmeler

1990’lı yıllarda NASA tarafından geliştirilen karbon ve silika aerojeller, uzay görevlerinde aktif olarak kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle Stardust uzay aracı ile gerçekleştirilen uzay tozu yakalama görevinde, düşük yoğunlukları sayesinde aerojeller etkili sonuçlar sağlamıştır.

Aerojel Türleri

Aerojeller, üretildikleri temel malzemeye göre farklı sınıflara ayrılır:

Silika Aerojeller:

En yaygın türdür. SiO₂ bazlı olup, yüksek ısı yalıtım özelliklerine sahiptir. Düşük yoğunluk ve yüksek şeffaflık avantajları sayesinde pencere yalıtımı gibi uygulamalarda tercih edilir.

Karbon Aerojeller:

Elektriksel iletkenlik özellikleriyle ön plana çıkar. Süperkapasitörler, enerji depolama sistemleri ve elektromanyetik dalga soğurucular gibi alanlarda kullanılır.

Metal Oksit Aerojeller:

Alümina (Al₂O₃), zirkonya (ZrO₂) ve titanya (TiO₂) gibi malzemelerden üretilir. Yüksek yüzey alanları sayesinde, özellikle katalizör destek malzemesi olarak değerlidir.

Organik ve Hibrit Aerojeller:

Polimer bazlı olanlar esnek yapıları ve biyouyumluluklarıyla dikkat çeker. Ayrıca, nano-kompozitlerle zenginleştirilmiş hibrit aerojeller de mevcuttur.

Üretim Yöntemleri

Aerojel üretimi genellikle üç ana aşamadan oluşur: sol-jel sentezi, jel oluşumu ve kurutma süreci.

Sol-Jel Süreci:

Uygun öncül kimyasallar çözeltide karıştırılarak bir “sol” elde edilir. Bu sol, zaman içinde jel yapısına dönüşür.

Süperkritik Kurutma:

Jel içerisindeki sıvının, yapının çökmesini önlemek adına süperkritik sıcaklık ve basınç altında buharlaştırılması gerekir. Bu yöntem zahmetli ve maliyetlidir, ancak yüksek kaliteli aerojeller elde etmek için tercih edilir.

Atmosferik Kurutma:

Daha ekonomik bir alternatif olmasına rağmen, gözenek yapısında deformasyon riski barındırır. Bu nedenle yüzey modifikasyonları ile yapısal stabilite sağlanmaya çalışılır.

Aerojelin Özellikleri

• Yoğunluk: 0.001 g/cm³ kadar düşük değerlere ulaşabilir.
• Isı İletkenliği: Katı malzemeler arasında en düşük ısı iletenlerden biridir.
• Gözeneklilik: Genellikle %95–99 arasında değişir.
• Yüzey Alanı: 600–1000 m²/g gibi oldukça yüksek değerlere ulaşabilir.
• Optik Özellikler: Üretim koşullarına bağlı olarak şeffaf ya da yarı saydam özellik gösterebilir.
• Mekanik Dayanım: Kırılgan olsa da, hibrit aerojellerle bu özellik geliştirilmiştir.

Uygulama Alanları

Uzay ve Havacılık:

NASA, aerojelleri uzay araçlarının yalıtımı ve uzay tozu yakalama görevlerinde kullanmaktadır.

İnşaat ve Isı Yalıtımı:

Duvar, çatı ve pencere uygulamalarında ince yapısına rağmen ısı geçişini azaltmada kullanılır.

Enerji Depolama:

Karbon aerojeller, süperkapasitör ve batarya teknolojilerinde elektrot malzemesi olarak görev alır.

Katalizör Taşıyıcıları:

Yüksek yüzey alanı sayesinde katalizörlerin etkili dağılmasını sağlar.

Biyomedikal ve İlaç Taşıma:

Biyolojik olarak parçalanabilir versiyonları, ilaçların kontrollü salımı amacıyla değerlendirilmiştir.

Çevre Teknolojileri:

Ağır metal iyonları ve petrol sızıntılarının temizliğinde filtreleme malzemesi olarak görev alabilir.

Aerojel Nasıl Üretilir?

Üretim süreci; hammaddenin jel haline getirilmesi, bu jelin olgunlaştırılması ve içindeki sıvının uygun yöntemlerle uzaklaştırılması gibi aşamaları içerir. Üretilecek aerojel türü, seçilen başlangıç hammaddesine bağlı olarak değişiklik gösterir. Günümüze kadar tek bileşenli, oksit, karbon, reçine bazlı, selüloz bazlı, kalkojenit, karbür, gradyan yapılı ve mikro/nano boyutlu birçok farklı aerojel türü geliştirilmiştir.

Kurutma yöntemi, elde edilen aerojelin özelliklerini doğrudan etkiler. Süperkritik kurutma ile elde edilen aerojellerin gözenek yapıları daha homojen ve kararlı olur. Kistler, aerojelin keşfinden sonra özel sektöre geçerek üretimini sürdürmüş ve 1940’ta ticari olarak satışına başlamıştır. Bu aerojeller, diş macunu ve kozmetik ürünlerinde katkı maddesi olarak kullanılmıştır. 1990’larda karbon aerojellerin sentezlenmesiyle birlikte kullanım alanları daha da enerji ve çevre teknolojilerini kapsayacak şekilde genişlemiştir. 2011’de ABD’de yapılan bir çalışmada sentezlenen nikel aerojel, o dönemde literatürde en hafif yapı olarak rapor edilmiştir.