Aerogel là loại vật liệu thu hút sự chú ý của cả giới khoa học và thương mại nhờ nhiều đặc tính vượt trội. Với mật độ cực thấp, độ xốp cao và khả năng cách nhiệt xuất sắc, aerogel đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó, nổi bật nhất là ngành xây dựng.
Aerogel
Thuật ngữ "aerogel" được Samuel Stephens Kistler giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1931, khi tổng hợp khí silica aerogel từ thạch silica nhờ thay thế chất lỏng bằng dung môi không hòa tan cấu trúc khi sấy khô. Dung môi được chuyển trực tiếp sang trạng thái khí khi đạt đến nhiệt độ tới hạn mà không bị mất đi do bay hơi, giữ lại được nguyên vẹn cấu trúc. Từ đó, nghiên cứu về aerogel không ngừng phát triển, tạo ra nhiều biến thể như aerogel silica, aerogel polyme, aerogel carbon và gần đây nhất là aerogel kim loại. Nhờ các đặc tính độc đáo và khác biệt, những biến thể này có rất nhiều ứng dụng đa dạng.
Lịch sử phát triển của aerogel (Nguồn: sciencedirect.com)
Kỹ thuật sản xuất aerogel
Trước đây, để chế tạo vật liệu aerogel, người ta thường áp dụng phương pháp truyền thống với quy trình phức tạp (quy trình sol-gel) và nhiều công đoạn: thủy phân, ngưng tụ, lão hóa và sấy siêu tới hạn. Ban đầu, sử dụng dung dịch tiền chất, thường là hợp chất organosilicon như tetramethyl orthosilicate (TMOS) hoặc tetraethyl orthosilicate (TEOS) đối với aerogel silica, được đưa vào phản ứng thủy phân, trong đó, tiền chất bị phân hủy thành các hạt sol nhỏ hơn. Sau khi thủy phân, các hạt sol này trải qua phản ứng ngưng tụ, liên kết lại với nhau để tạo thành aerogel. Sau đó, các hạt sol liên kết và sắp xếp mạng lưới liên kết chặt chẽ trong hệ gel ướt. Bước cuối cùng là sấy siêu tới hạn. Ở giai đoạn này, chất lỏng bên trong các lỗ rỗng của gel được loại bỏ mà không làm cấu trúc bị sụp đổ, để lại cấu trúc rắn, xốp được gọi là aerogel khí.
Sơ đồ tổng quát tổng hợp aerogel (Nguồn: sciencedirect.com)
Hiện nay, bên cạnh phương pháp sấy siêu tới hạn truyền thống, một số kỹ thuật sấy khác đã được áp dụng để thay thế, chẳng hạn như sấy đông khô (sử dụng quá trình bay hơi chậm của dung môi ở áp suất thường) và sấy đông lạnh (aerogel được đông lạnh và dung môi đông lạnh được thăng hoa trực tiếp, bỏ qua pha lỏng). Ngoài ra, các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc biến đổi bề mặt aerogel, trong đó, các lỗ xốp của vật liệu được xử lý hóa học để trở nên kỵ nước. Phương pháp này giúp giảm hiệu ứng sức căng bề mặt, bảo vệ cấu trúc aerogel và cho phép sử dụng các kỹ thuật sấy khô có chi phí thấp hơn mà vẫn đảm bảo giữ nguyên các đặc tính cấu trúc và tính năng của vật liệu.
Một số loại aerogel phổ biến
Aerogel silica: là loại aerogel phổ biến nhất, được chế tạo từ các tiền chất silicon alkoxide như TMOS hoặc TEOS qua quy trình sol-gel. Aerogel silica có đặc tính cách nhiệt, mật độ thấp, độ xốp cao và có khả năng truyền ánh sáng nên được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng (vật liệu cách nhiệt, kính tiết kiệm năng lượng, nắp bộ thu nhiệt mặt trời).
Aerogel carbon: được tạo ra bằng cách nhiệt phân các aerogel hữu cơ, như aerogel resorcinol-formaldehyde. Carbon aerogel giữ được độ xốp cao, mật độ thấp, đồng thời dẫn điện tốt và có thể điều chỉnh tính chất nhiệt thông qua quy trình nhiệt phân và trong xây dựng carbon aerogel có tiềm năng trong quản lý năng lượng, hệ thống sưởi tiên tiến và cửa sổ thông minh.
Aerogel polyme: là loại aerogel được làm từ polyme, có độ mềm dẻo hoặc cứng chắc tùy thuộc vào vật liệu và quy trình sản xuất. Cấu trúc nanomorphology của aerogel polyme phụ thuộc vào nồng độ isocyanat, nước và chất xúc tác. Việc thay đổi loại isocyanat hoặc dung môi sẽ cho phép tạo ra các cấu trúc xốp khác nhau. So với silica aerogel, aerogel polyme bền chắc hơn, ít giòn hơn, có khả năng cách nhiệt và cách âm tốt, thích hợp cho ứng dụng xây dựng như lớp cách nhiệt hoặc tấm linh hoạt.
Aerogel kim loại: còn được gọi là aerogel kim loại hữu cơ, được tổng hợp từ các ion kim loại và phối tử hữu cơ. Aerogel kim loại có thể biểu hiện các đặc tính từ tính, điện hoặc xúc tác. Trong xây dựng, thường được ứng dụng để che chắn điện từ hoặc chất xúc tác điện.
Aerogel oxit kim loại: là loại aerogel có độ ổn định nhiệt và hóa học cao, được ứng dụng rộng rãi trong các môi trường khắc nghiệt và nhiệt độ cao. Với cấu trúc tinh thể ion vô cơ, chúng sở hữu đặc tính chống oxy hóa, ăn mòn và khả năng cách nhiệt vượt trội. Các loại phổ biến như alumina (Al₂O₃), zirconia (ZrO₂) và titania (TiO₂).
Ứng dụng aerogel trong xây dựng
Là vật liệu rắn có mật độ cực thấp, chỉ vài mg/m3, cùng độ xốp cao, mang lại khả năng cách nhiệt vượt trội, aerogel được ứng dụng khá đa dạng trong ngành xây dựng, như các loại vật liệu cách nhiệt, kiểm soát âm thanh, gia cố kết cấu và chống cháy.
Vật liệu cách nhiệt: aerogel, đặc biệt là aerogel silica, là giải pháp cách nhiệt ưu việt nhờ cấu trúc nano xốp độc đáo và trọng lượng nhẹ. Với độ dẫn nhiệt cực thấp, vật liệu này hạn chế hiệu quả sự truyền nhiệt qua dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ, trở thành lựa chọn lý tưởng để sử dụng làm tường, mái và sàn, nâng cao hiệu quả năng lượng của các tòa nhà. Theo nghiên cứu của tác giả Wang và cộng sự trong năm 2023, aerogel silica trong suốt truyền thống có thể cách nhiệt thụ động, sưởi ấm thụ động hoặc làm mát thụ động trong các môi trường khác nhau, thông qua biến thể tính chất quang học. Nghiên cứu chứng minh rằng vào ban ngày, aerogel silica có thể hấp thụ năng lượng mặt trời để tạo ra nhiệt độ ấm hơn môi trường xung quanh 25°C, hoặc làm mát xuống 7°C tùy theo cách điều chỉnh. Đặc biệt vào những đêm lạnh, vật liệu aerogel silica vẫn duy trì trạng thái ấm áp nhờ khả năng kiểm soát hiệu quả năng lượng mặt trời.
Không chỉ ứng dụng làm tường và mái nhà, aerogel silica nguyên khối còn được sử dụng làm các loại cửa sổ tiết kiệm năng lượng. Theo nghiên cứu của tác giả Carroll và cộng sự năm 2024, việc sử dụng aerogel silica làm các cửa sổ có thể làm mát và giúp giảm tới 25% thất thoát nhiệt, đóng góp quan trọng vào việc cải thiện hiệu quả năng lượng cho các tòa nhà hiện đại. Ngoài ra, vật liệu composite như khí graphene aerogel (GA) kết hợp axit octadecanoic (OA) cũng cho thấy có độ dẫn nhiệt tăng gấp 14 lần so với OA đơn thuần, mở ra tiềm năng lớn trong lĩnh vực cách nhiệt và lưu trữ năng lượng.
Aerogel trong suốt cách nhiệt trong xây dựng. (Nguồn: Materials Science and Engineering, 2020)
Vật liệu cách âm: do có độ xốp cao và cấu trúc mạng lưới nên aerogel làm giảm sóng âm hiệu quả, do vậy, có thể làm chất cách âm rất tốt. Theo nghiên cứu của tác giả Tatiana Budtova và cộng sự năm 2022, aerogel gốc silica có khả năng hấp thụ âm thanh vượt trội trên nhiều tần số, đặc biệt với dải tần số lên đến 5 kHz. So với các vật liệu truyền thống như bọt polyurethane có cùng mật độ, vốn chỉ giảm được khoảng 5 dB, thì aerogel cho thấy hiệu suất giảm truyền âm cao hơn đáng kể. Với đặc tính cách âm tốt, aerogel có tiềm năng lớn trong việc nâng cao khả năng cách âm cho các tòa nhà dân cư, tối ưu hóa kiểm soát âm thanh trong những không gian chuyên biệt như phòng thu âm hay phòng hòa nhạc. Bên cạnh đó, các aerogel polyme có thể được sử dụng làm tấm cách âm riêng biệt hoặc tích hợp vào vật liệu composite, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong các dự án cách âm.
Gia cố kết cấu chống cháy: aerogel có độ dẫn nhiệt thấp và độ ổn định ở nhiệt độ cao, giúp làm chậm sự lan truyền nhiệt từ nguồn lửa, từ đó giảm tốc độ cháy lan. Nhờ độ xốp cao và mật độ thấp, hàm lượng nhiên liệu ít, hạn chế đáng kể lượng vật liệu dễ cháy trong trường hợp xảy ra hỏa hoạn. Hoặc khi kết hợp với các vật liệu chống cháy khác, composite aerogel càng tăng cường thêm khả năng chống cháy mang lại hiệu quả bảo vệ tối ưu trong lĩnh vực xây dựng.
Hình dạng của vật liệu aerogel khi bị đốt cháy.
(a) Hình dạng; (b) Hình thái của khí aerogel được quan sát bằng kính hiển vi điện tử
***
Quá trình tổng hợp, ứng dụng aerogel trong xây dựng hiện vẫn đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu, do tiềm năng của loại vật liệu này rất lớn. Những đặc tính vượt trội của aerogel, từ cách nhiệt, cách âm cho đến khả năng gia cố kết cấu và thân thiện với môi trường đã mở ra cơ hội cách mạng hóa ngành xây dựng hiện đại. Để hiện thực hóa tiềm năng này, việc tiếp tục nghiên cứu, đổi mới công nghệ, và thúc đẩy hợp tác chặt chẽ giữa các nhà khoa học, nhà sản xuất và các chuyên gia trong ngành xây dựng là điều hết sức quan trọng. Khi ngành xây dựng càng hướng tới các giải pháp bền vững, hiệu quả năng lượng và thân thiện với môi trường, aerogel đầy hứa hẹn là một đối tượng không thể bỏ qua. Với sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển, cùng các chính sách hỗ trợ phù hợp, aerogel sẽ có vai trò nổi bật trong việc định hình các công trình của tương lai, không chỉ về mặt hiệu suất mà còn trong việc giảm tác động đến môi trường, góp phần xây dựng một thế giới xanh hơn và bền vững hơn
Vân Anh
----------------------------------------
Mời các bạn đón đọc tiếp "Một số nghiên cứu ứng dụng aerogel trong xây dựng tại Việt Nam" trong ấn phẩm Thông tin chuyên đề KH,CN&ĐMST số 03/2025.
----------------------------------------
Tài liệu tham khảo:
[1] Xinhua Gu, Yongqiang Ling. Research progress of aerogel materials in the field of construction. Alexandria Engineering Journal, Volume 91, Pages 620-631.
[2] Tatiana Budtova, Tapio Lokki, Sadeq Malakooti, Ameya Rege, Hongbing Lu, et al. Acoustic Properties of Aerogels: Current Status and Prospects. Advanced Engineering Materials, Volume 25, Issue 6.
[3] Jing Wang, Dengsen Yuan, Peiying Hu, Yongjiang Wang, Jin Wang, Qingwen Li. Optical Design of Silica Aerogels for On-Demand Thermal Management. Advanced Functional Materials, Volume 33, Issue 32.
[4] M.K. Carroll, A.M. Anderson, S.T. Mangu, Z. Hajjaj, M. Capron. Aesthetic aerogel window design for sustainable buildings. Sustainability, 14(5), 2887.
[5] K. Liu, Xiao-Feng Zheng, Chia-Hsing Hsieh, S. Lee. The Application of Silica-Based Aerogel Board on the Fire Resistance and Thermal Insulation Performance Enhancement of Existing External Wall System Retrofit. Materials Science, Engineering, 14, 4518.
[6] Xu hướng nghiên cứu và ứng dụng vật liệu aerogel trong lĩnh vực xây dựng.