エアロゲルとは

aerogel

要点

  • 低密度で乾燥した構造体の総称(特定の化合物ではない)。
  • 収縮・崩壊しやすいため蒸発乾燥では通常作製できない。
  • 超臨界乾燥装置さえあれば作るのは簡単だが高コスト。
  • 構造・密度設計により(見方によっては)優れた物性値をもつが脆くてすぐ崩れる。
  • 80年以上前に発明された古い材料(「新素材」は誤り)。

エアロゲルについて

エアロゲル(aerogel)はIUPAC GOLD BOOKにおいて”Gel comprised of a microporous solid in which the dispersed phase is a gas.”と定義されています。一般的には超臨界乾燥法を用いて得られた低密度の乾燥ゲルのことです。エアロゲルに対し、通常の乾燥過程によるものをキセロゲル、凍結乾燥のものをクライオゲルと呼びます。構造体の名称であり、特定の化合物を指す用語ではありません。

今から80年以上前の1931年、S. S. Kisterにより最初に合成されました。[1] 以来、シリカ(SiO2)、有機ポリマーやその焼結体であるカーボン(C)、アルミナ(Al2O3)やチタニア(TiO2)をはじめとした金属酸化物などさまざまな物質で作製され、断熱材、電極、触媒担体などへの応用研究が古くから行われています。

何十年も前から知られている材料であり、超臨界乾燥装置されあれば作製は難しくありません。身の回りで目にすることはほとんどありませんが、シリカエアロゲルひとかけら欲しいだけならばAmazon.comや海外サイトで簡単に入手可能です。

シリカエアロゲルの特徴と現状

進撃しないエアロゲル透き通った見た目で有名なシリカエアロゲルは、超低比重・透明(10 mm厚で約90 %)・低熱伝導性(<15 mW m−1 K−1)を特徴とする物質として知られ、その優れた物性を利用した用途が検討されてきています。[2,3] しかし合成プロセスに高圧条件を必要とするため大きなサイズを得ることが難しく、あまりに脆すぎて取扱いも難しいため、身の回りで目にする機会はほとんどないでしょう。

エネルギー問題が大きくなりつつある近年は優れた断熱性に注目が集まっているため、繊維と複合化して扱いやすくしたエアロゲル製品も市場に出回ってはいますが、断熱性は単体のものに劣ります。広く売り出すためにはまだまだ解決すべき欠点が多いのが現状です。
個人的印象としてはここ20年ぐらい大した進歩がありません。

シリカエアロゲルの断熱性

シリカエアロゲルでおそらく最も注目されている特徴は高い断熱性です。市販の発泡フォームなどからなる断熱材の熱伝導率が主に20–40 mW m−1 K−1(例えばBASFのSLENTITEは16 mW m−1 K−1以下であるなど高性能な市販品も存在します)であるのに対し、シリカエアロゲルの熱伝導率は15 mW m−1 K−1以下に抑えられます(PMSQエアロゲルで試したところ12 mW m−1 K−1も可能)。

熱伝導は気相・固相・輻射によって起こるが知られています。断熱性をもつエアロゲル最大の特徴は気相(内部の空気)の熱伝導率の低さにあります。エアロゲル内部は90 %以上が空気ですが、それぞれ数十nmの細孔(空間)に仕切られていると見なすことができます。空気中の分子の平均自由行程はおよそ70 nmですから、細孔内では空気の対流が生じず分子同士の衝突(熱交換)も起こりません。したがって脱気せずとも真空並の熱伝導率に抑えることができます。また、希薄な骨格も固相の熱伝導率抑制に寄与します。

細孔径と骨格の量(密度)は、エアロゲルではトレードオフの関係にあります。骨格を増やせば細孔径が減って気相の熱伝導率を抑制する分、固相の熱伝導率は増加してしまいます。逆もまた然りです。エアロゲルで高い断熱性を実現するためには、密度の最適値(~0.15 g cm−3)を探す必要があります。

シリカエアロゲルの可視光透過性

エアロゲルに限らず、透明な素材として材料を用いるためには必要な厚みに対して70 %以上の可視光透過率が必要といわれています。

適切な組成で作製されたシリカエアロゲルは、10 mm厚でおよそ90 %の可視光を透過します。これはシリカの骨格や細孔径のスケールが可視光の波長380–780 nmより十分に小さく、ミー散乱を起こしにくいためです。可視光透過率の高いエアロゲルはより青く透き通った外観をもちます。可視光の透過性は材料の厚みが増すごとに指数関数的に減少するため、透明断熱材として用いるためにはより精密な微細構造の形成が求められます。

商用への高いハードル

シリカエアロゲルは、ほとんど特殊な場面でのみ使われています。主な用途は、低い熱伝導性を利用した断熱材や低屈折率・高透過性を利用した光学部品です。同じ能力をもつ従来の材料に比べて大幅な軽量化が見込めるのが特徴ですが、衝撃が加わらず単体サイズも小規模である条件に限られています。

シリカをはじめとしたエアロゲルは何十年も研究されてきており、大手メーカーも応用を試みてきた経緯があります。文献では肯定的な内容ばかりがクローズアップされるため優れた物性や利点が目立ちますが、脆性やプロセスなど欠点の方がはるかに大きいのが現状です。短期の投資で改善が見込めるほど楽観的な材料ではありません。

参考

  1. S. S. Kistler, “Coherent Expanded Aerogels and Jellies”, Nature, 127, 741 (1931). doi:10.1038/127741a0
  2. Nicola Hüsing and Ulrich Schubert, “Aerogels — Airy Materials: Chemistry, Structure, and Properties”, Angew. Chem. Int. Ed., 37, 22–45 (1998). doi:10.1002/(SICI)1521-3773(19980202)37:1/2<22::AID-ANIE22>3.0.CO;2-I
  3. Lawrence W. Hrubesh, “Aerogel applications”, Journal of Non-Crystalline Solids, 225, 335–342 (1998). doi:10.1016/S0022-3093(98)00135-5