Aerogel composite là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm “aerogel composite”

Aerogel composite là vật liệu tổ hợp được tạo ra bằng cách kết hợp aerogel – một loại vật liệu rỗng siêu nhẹ với độ rỗng có thể vượt 90% thể tích – cùng các thành phần gia cường khác như sợi, hạt vô cơ hoặc polymer nhằm nâng cao khả năng chịu lực, chống mài mòn, và bổ sung các tính năng đặc biệt. Aerogel thuần, mặc dù nổi tiếng nhờ khối lượng riêng cực thấp và hệ số dẫn nhiệt thuộc hàng thấp nhất trong các vật liệu rắn (có thể dưới 0,015 W/m·K), thường giòn và khó ứng dụng trong các môi trường chịu lực hoặc rung động mạnh. Việc biến aerogel thành composite giúp mở rộng phạm vi ứng dụng sang các lĩnh vực yêu cầu cả hiệu năng cơ học và chức năng đặc thù.

Khái niệm aerogel composite bao gồm nhiều loại nền aerogel khác nhau như silica aerogel, carbon aerogel, polymer aerogel và các loại aerogel kim loại oxide. Tùy theo loại nền và chất gia cường, aerogel composite có thể được tối ưu hóa cho mục tiêu cụ thể như cách nhiệt, cách âm, dẫn điện, hấp phụ hoặc xúc tác. Các định nghĩa, tiêu chuẩn phân loại và đặc tính cơ bản được trình bày trong các nguồn uy tín như ScienceDirect – Aerogels và tài liệu kỹ thuật của NASA.

Aerogel composite được chú ý trong ngành vật liệu tiên tiến vì kết hợp được ưu điểm của aerogel nguyên chất (siêu nhẹ, cách nhiệt cao, diện tích bề mặt lớn) với độ bền và tính đa dụng của vật liệu gia cường. Mức cải thiện tính chất có thể định lượng bằng so sánh các thông số cơ học và nhiệt giữa aerogel thuần và composite như sau:

Thành phần cấu tạo

Cấu trúc của aerogel composite gồm hai pha chính: pha nền (matrix) là mạng lưới aerogel với cấu trúc xốp nano, và pha gia cường (reinforcement) gồm các vật liệu được chọn để tăng độ bền cơ học, bổ sung tính năng hoặc bảo vệ mạng aerogel khỏi hư hại. Pha nền thường là silica aerogel, carbon aerogel hoặc polymer aerogel, tùy thuộc vào mục tiêu ứng dụng. Silica aerogel có tính cách nhiệt tốt nhất, carbon aerogel nổi bật với khả năng dẫn điện, còn polymer aerogel linh hoạt và ít giòn hơn.

Pha gia cường có thể là:

• Sợi (fibers) như sợi thủy tinh, sợi silica, sợi aramid (Kevlar) giúp tăng độ bền kéo và độ bền va đập.
• Hạt nano (nanoparticles) như TiO₂, Al₂O₃, graphene để điều chỉnh dẫn nhiệt, tăng cường dẫn điện hoặc thêm chức năng xúc tác, quang xúc tác.
• Polymer matrix như epoxy, polyurethane hoặc polyimide để tăng độ dẻo và chống thấm nước.

Liên kết giữa pha nền và pha gia cường là yếu tố quyết định chất lượng composite. Xử lý bề mặt của sợi hoặc hạt bằng các chất ghép nối (coupling agents) như silane giúp tăng độ bám dính, giảm tách pha. Kỹ thuật tổng hợp in-situ, trong đó mạng aerogel hình thành đồng thời với sự phân tán của vật liệu gia cường, có thể tạo nên cấu trúc đồng nhất hơn so với phương pháp ghép sau.

Phân loại aerogel composite

Có nhiều cách phân loại aerogel composite tùy tiêu chí:

Theo loại aerogel nền:

• Silica aerogel composite: tính cách nhiệt vượt trội, chống cháy, ứng dụng trong xây dựng và hàng không vũ trụ.
• Carbon aerogel composite: dẫn điện, dẫn nhiệt, hấp phụ cao, dùng trong lưu trữ năng lượng và lọc.
• Polymer aerogel composite: linh hoạt, bền, chống thấm, dùng trong bảo hộ cá nhân hoặc vật liệu đóng gói.

Theo chức năng chính:

• Cách nhiệt và cách âm
• Dẫn điện và lưu trữ năng lượng
• Xúc tác hoặc quang xúc tác
• Hấp phụ hóa chất, xử lý môi trường

Phương pháp chế tạo

Quy trình chế tạo aerogel composite thường bắt đầu từ giai đoạn hình thành gel (sol-gel process) hoặc tạo mạng aerogel từ dung dịch tiền chất, sau đó tích hợp pha gia cường. Có thể chia thành hai nhóm phương pháp chính: tích hợp pha gia cường trước khi sấy khô aerogel (pre-impregnation) và gia cường sau khi aerogel đã hình thành (post-impregnation).

Phương pháp sol-gel kết hợp gia cường trước khi sấy: sợi hoặc khung xốp được nhúng trong dung dịch sol, sau đó gel hóa và sấy khô bằng phương pháp sấy siêu tới hạn (supercritical drying) hoặc sấy đông khô (freeze-drying). Cách này giúp pha gia cường liên kết chặt chẽ vào mạng aerogel ngay từ đầu.

Phương pháp ngâm tẩm (impregnation) aerogel đã sấy khô: aerogel được tẩm dung dịch polymer hoặc nhựa, sau đó đóng rắn, tạo lớp gia cường bọc quanh cấu trúc rỗng. Phương pháp này đơn giản hơn nhưng có thể làm giảm độ rỗng.

Một công thức ước lượng độ rỗng của aerogel composite sau khi gia cường:

$\phi = 1 - \frac{\rho_{\mathrm{bulk}}}{\rho_{\mathrm{solid}}}$, trong đó $\rho_{\mathrm{bulk}}$ là khối lượng riêng của composite, $\rho_{\mathrm{solid}}$ là khối lượng riêng lý thuyết của pha rắn.

• Sấy siêu tới hạn: bảo toàn cấu trúc nano, giảm co ngót.
• Sấy đông khô: tạo lỗ xốp định hướng, thích hợp với aerogel polymer.
• Xử lý bề mặt: giảm hút ẩm, cải thiện tương thích giữa các pha.

Đặc tính vật lý – hóa học

Aerogel composite giữ được ưu điểm cốt lõi của aerogel thuần như khối lượng riêng thấp và diện tích bề mặt riêng lớn, đồng thời cải thiện rõ rệt các tính chất cơ học và độ bền sử dụng. Độ rỗng của các composite này thường nằm trong khoảng 80–95%, giúp duy trì khả năng cách nhiệt và cách âm tốt, trong khi độ bền nén có thể tăng gấp 10–50 lần so với aerogel nguyên chất nhờ các pha gia cường. Giá trị diện tích bề mặt riêng (BET) có thể vượt 500 m²/g, tạo điều kiện thuận lợi cho các ứng dụng xúc tác và hấp phụ.

Hệ số dẫn nhiệt của aerogel composite phụ thuộc vào thành phần và phương pháp chế tạo, nhưng nhìn chung vẫn nằm ở mức rất thấp (0,015–0,03 W/m·K ở điều kiện khô). Sự có mặt của sợi hoặc hạt vô cơ giúp composite có khả năng chịu nhiệt lên tới 600–1000°C tùy loại nền. Đối với các composite dẫn điện (ví dụ carbon aerogel + graphene), độ dẫn điện có thể đạt đến hàng chục S/m, đủ cho ứng dụng làm điện cực siêu tụ điện hoặc pin lithium-ion.

Các đặc tính hóa học khác như khả năng kháng hóa chất, tính kỵ nước hoặc ưa nước được điều chỉnh thông qua xử lý bề mặt hoặc lựa chọn polymer nền. Ví dụ, phủ nhóm methyl hoặc fluorocarbon lên bề mặt silica aerogel giúp composite kỵ nước, hạn chế hút ẩm và duy trì khả năng cách nhiệt trong môi trường ẩm.

Ứng dụng

Nhờ sự kết hợp giữa đặc tính siêu nhẹ, cách nhiệt tốt và độ bền cao, aerogel composite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong xây dựng, các tấm panel cách nhiệt aerogel composite giúp giảm thất thoát nhiệt và tiết kiệm năng lượng, đồng thời đáp ứng yêu cầu chống cháy của các tiêu chuẩn quốc tế. Trong hàng không – vũ trụ, NASA đã sử dụng aerogel silica composite để thu thập bụi sao chổi trong nhiệm vụ Stardust (NASA Aerogel).

Trong lĩnh vực năng lượng, carbon aerogel composite với graphene hoặc ống nano carbon (CNT) được dùng làm điện cực pin và siêu tụ điện nhờ độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn ion tốt. Trong môi trường, aerogel composite kỵ nước được dùng để hấp phụ dầu tràn, lọc khí độc hoặc xử lý kim loại nặng trong nước. Các nghiên cứu gần đây còn hướng tới aerogel composite dẫn nhiệt cao để làm tản nhiệt trong thiết bị điện tử.

• Cách nhiệt: panel aerogel composite cho tường, mái, thiết bị áp lực
• Năng lượng: điện cực pin Li-ion, siêu tụ, vật liệu lưu trữ hydro
• Môi trường: hấp phụ hydrocacbon, xử lý nước thải
• Khoa học – vũ trụ: thu thập mẫu ngoài không gian, cách nhiệt tàu vũ trụ

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm nổi bật của aerogel composite bao gồm trọng lượng siêu nhẹ (có thể nhỏ hơn 0,2 g/cm³), khả năng cách nhiệt và cách âm vượt trội, đồng thời có thể tùy biến để đạt thêm các tính năng như dẫn điện, chống cháy hoặc hấp phụ chọn lọc. Tính đa chức năng và khả năng thiết kế cấu trúc ở cấp nano cho phép chúng đáp ứng yêu cầu của nhiều ứng dụng khắt khe.

Tuy nhiên, chi phí sản xuất vẫn là rào cản lớn, do quy trình chế tạo phức tạp (đặc biệt là sấy siêu tới hạn), yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt về điều kiện và nguyên liệu. Ngoài ra, một số loại composite vẫn giữ tính giòn hoặc dễ hư hại dưới tải trọng va đập cao. Độ bền lâu dài trong môi trường khắc nghiệt (ẩm, kiềm, axit) cũng cần được cải thiện.

Xu hướng nghiên cứu

Các hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào tối ưu hóa hiệu năng và giảm chi phí sản xuất. Một số chiến lược bao gồm sử dụng nguyên liệu tái tạo như cellulose hoặc chitosan làm nền aerogel, áp dụng kỹ thuật sấy năng lượng thấp, và phát triển aerogel composite đa chức năng. Aerogel composite linh hoạt (flexible aerogel composite) đang được quan tâm cho các ứng dụng trong thiết bị đeo, cách nhiệt cho vải kỹ thuật và bảo hộ cá nhân.

Xu hướng khác là phát triển aerogel composite tự phục hồi (self-healing) bằng cách tích hợp polymer động học hoặc hạt nano phản ứng, và aerogel composite thông minh có thể thay đổi tính chất theo môi trường (ví dụ: thay đổi màu sắc, độ dẫn điện khi có kích thích nhiệt hoặc ánh sáng). Ngoài ra, kết hợp với công nghệ in 3D cho phép chế tạo cấu trúc composite phức tạp với độ chính xác cao.

• Aerogel composite sinh học từ cellulose, lignin
• Công nghệ sấy nhanh và tiết kiệm năng lượng
• Aerogel composite tự phục hồi, thông minh
• Ứng dụng in 3D để chế tạo cấu trúc composite tối ưu

Danh sách tài liệu tham khảo

• ScienceDirect – Aerogels overview. sciencedirect.com
• NASA – Aerogel in Stardust mission. nasa.gov
• Springer – Aerogel composites for thermal insulation. springer.com
• Elsevier – Carbon aerogel composites for energy storage. sciencedirect.com
• ACS – Flexible and multifunctional aerogel composites. acs.org