วิศวกรเคมีและอาจารย์ประจำ College of the Pacific ใน California ชื่อ Samuel Stephens Kistler หรือ Steven Kistler ได้รับคำท้าของเพื่อนอาจารย์คู่ซี้อย่าง Charles Learned เรื่องแข่งกันค้นคว้าวิจัยหาเทคนิคการแทนที่น้ำในเจลเปียก หรือ Wet Gel ด้วยอากาศโดยไม่ทำให้เจลหดตัว… ใครทำได้ก่อนเป็นคนชนะ
Samuel S. Kistler ได้นำเจลเปียกไปผ่านกระบวนการ Supercritical Drying หรือ Freeze-Drying ซึ่งเป็นการทำแห้งด้วยความเย็นจนโมเลกุลของน้ำในเจลกลายเป็นน้ำแข็ง และเมื่อผ่านความดันเข้าไป เกล็ดน้ำแข็งที่แทรกปนอยู่กับเนื้อเจลก็ถูกแยกออกจากโครงสร้าง จนกลายเป็นรูพรุนโดยไม่เสียรูปทรง… การทดสอบสมมุติฐานแรกของ Samuel S. Kistler ได้ทดลองกับ Silica Gel และประสบความสำเร็จอย่างงดงามในปี 1931
แต่การค้นคว้าวิจัยอย่างต่อเนื่องของ Samuel S. Kistler หรือ Steven Kistler มีการนำวัสดุและธาตุตั้งต้นอื่นมาทดสอบ ทั้ง Alumina… Chromia และ Tin Dioxide จนมีสิทธิบัตรเกี่ยวข้องกับ Aerogel มากมายก่อนที่ Samuel S. Kistler จะจากไปในวัย 75 ปี ในวันที่ 6 พฤศจิกายน ปี 1975… ก่อนที่การพัฒนา Aerogel จาก Carbon จะประสบความสำเร็จในปี 1980
ปี 1999… องค์การอวกาศสหรัฐ หรือ NASA ได้พัฒนา Silica Aerogel เป็นอุปกรณ์ดักจับฝุ่นอวกาศ ติดตั้งบนยาน Stardust เพื่อขึ้นโคจรทำภารกิจเก็บอนุภาคฝุ่นและ สะเก็ดดาวหาง Wild 2 ในปี 2004… เมื่อยาน Stardust เคลื่อนตัวเข้าถึงเส้นทางโคจรของดาวหาง Wild 2… อนุภาคดาวหางความเร็ว 6 เท่าของความเร็วลูกกระสุนปืนไรเฟิล ซึ่งแม้แต่อนุภาคฝุ่นที่มีขนาดเล็กระดับ PM 1 แต่ด้วยความเร็วที่สูงขนาดนั้น ก็อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและส่วนประกอบทางเคมีเมื่อเกิดการปะทะได้… รวมทั้งอาจสร้างความเสียหายให้กับตัวยานได้ด้วย
ยาน Stardust จึงถูกออกแบบให้ใช้ Aerogel ขนาด 1,000 ตารางเซนติเมตร และ หนา 3 เซนติเมตร ติดตั้งบนยาน เมื่อฝุ่นดาวหางปะทะแผ่น Aerogel ด้วยโมเมนตัมสูง เนื้อ Aerogel จะซับแรงพุ่งชน จนเกิดรูทรงกรวยคล้ายหัวแครอท ซึ่งมีความยาวมากกว่าขนาดของอนุภาคถึง 200 เท่า… และฝังในเนื้อของ Aerogel สามารถเก็บฝุ่นและอนุภาคดาวหางกลับมาส่งฐานได้อย่างสมบูรณ์ในปี 2006
Aerogel ที่ใช้ในยาน Stardust เป็น Silica Aerogel มีค่าความพรุนประมาณ 98% โดยปริมาตร ผลิตโดย JPL หรือ Jet Propulsion Laboratory ได้รับการควบคุมคุมคุณภาพและความบริสุทธิ์ไว้อย่างดี ทำให้ Aerogel ที่ได้มีความหนาแน่นเกือบเท่ากับอากาศ มีความแข็งแรงและทนทานในอวกาศ
ความโดดเด่นอีกประการหนึ่งของ Aerogel ก็คือ ความสามารถในการ “ป้องกันการถ่ายเทความร้อน” ได้ทั้งแบบ Convection หรือ การพาความร้อน… Conduction หรือ การนำความร้อน และแบบ Radiation หรือการแผ่รังสีความร้อน
Aerogel จึงถูกจัดให้เป็นฉนวนความร้อนที่ดีที่สุดในโลก และมีการใช้ Silica Aerogels และ Carbon Aerogels มาพัฒนาเป็นวัสดุฉนวนในผลิตภัณฑ์ต่างๆ รวมทั้งวัสดุก่อสร้างและตกแต่งซึ่งจะมีบทบาทอย่างมากในอนาคตอันใกล้
Aerogel ได้รับการบันทึกใน Guinness World Records ว่าเป็นของแข็งที่เบาและเป็นฉนวนที่ดีที่สุดในโลก… การออกแบบส่วนใหญ่จะทำให้โครงสร้างประกอบด้วยอากาศราว 90–99.8% ที่ความหนาแน่น 3–150 มิลลิกรัมต่อตารางเซนติเมตร สามารถรับน้ำหนักได้ 500–4,000 เท่าของน้ำหนักตัวโดยไม่เกิดความเสียหาย
Aerogel จึงมีรูปร่างลักษณะเหมือนฟองน้ำเนื้อแข็ง บางครั้งจะเรียกว่า Frozen Smoke บ้าง Solid Smoke หรือ Blue Smoke มีสมบัติโปร่งแสงแต่ไม่โปร่งใส และถือเป็นวัสดุจากวิทยาการนาโนที่กำลังจะเข้ามาอยู่ในชีวิตประจำวันของพวกเราอีกหนึ่งสิ่ง… Aerogel อยู่ในรายการวัสดุก่อสร้างแห่งอนาคตที่มุ่งหวังจะใช้เป็นชิ้นส่วนก่อสร้างทั้งบนโลกและอสังหาริมทรัพย์ในวงโคจรโลก รวมทั้งนิคมบนดวงจันทร์และนอกดาวโลกด้วย
ท่านที่สนใจนำ Aerogel ไปวิจัยทดลองรวมทั้งพัฒนาสินค้าต้นแบบ และอยากชวนผมไปร่วมสนุกด้วย หรือแค่แลกเปลี่ยนข้อมูลกันก็ยินดี… ขอทางไลน์ส่วนตัวที่ ID: dr.thum ครับผม
References…
