الهلام الهوائي هو مجموعة متنوعة من المواد الصلبة المسامية، والتي تتميز بخصائص مدهشة. يتميز الهلام الهوائي -في الغالب- ب كثافة منخفضة للغاية (والتي تتراوح بين 0.0011 إلى ~0.5 غرام لكل سنتيمتر مكعب). وفي الواقع، إن أقل المواد الصلبة كثافةً على الإطلاق التي أُنتجت هي من فئة الهلام الهوائي.
وتكون كثافته عادةً 0.020 غرام لكل سم مكعب، أو أعلى (حوالي 15 مرة أثقل من الهواء). إلا أنه -ومع هذا القدر من الكثافة- سوف يتطلب الأمر 150 قطعة من الهلام الهوائي بحجم الطوب، للوصول إلى وزن جالون واحد من الماء!
هلام السيليكا المتراص
ولو افترضنا أن تمثال (داود -David) للفنان (مايكل أنجلو – Angelo Michael)، مصنوعٌ من هلام هوائي بكثافة 0.020 غرام/سنتيمتر مكعب فسيكون وزنه حوالي 2 كغ فقط!
يتكون حجم الهلام الهوائي عادةً من 99-95% من الهواء (أو غازات أخرى)، وقد احتوى أقل هلام هوائي كثافةً أُنتج على الإطلاق على 99.98% من حجمه على الهواء.
وبشكل خاص، الهلام الهوائي بنية جافة وصلبة ومنخفضة الكثافة ومسامية، ويكون جزء من الهلام -والذي يمنحه هذا التماسك شبه الصلب- معزولًا عن المكون السائل للهلام (الذي يشكل أغلب حجم الهلام).
يكون الهلام الهوائيّ مفتوح المسام (أي أن الهواء غير محصور داخل الجيوب الصلبة). يتراوح قطر مساماته من 1 إلى 100 نانو متر (جزء من المليار من المتر)، ويكون عادةً أقل من 20 نانو متر.
إن الهلام الهوائي مادة جافة (على عكس المواد الهلامية العادية التي قد تفكر بها، والتي تكون عادةً رطبة مثل حلوى الجيلاتين). تُشير كلمة (هلام هوائي) إلى أنه مشتق من مواد جيلاتينية، تكون بنيته فعالة وصلبة فقط مع وجود غاز أو فراغ في مساماته بدلًا من السوائل.
التعريف التقني:
الهلام الهوائي عبارة عن رغوة صلبة مفتوحة المسام، تتكون من شبكات من الهياكل النانوية المترابطة مع بعضها (وله حجم غير صلب لا يقل عن 50%).
يشير مصطلح (mesoporous) إلى مادة يتراوح قطرها من 2 إلى 50 نانومتر. وبشكل عام، تكون معظم مسامات الهلام الهوائي في نطاق هذا الحجم.
مم يتكون الهلام الهوائي ؟
لا يشير مصطلح (هلام هوائي) إلى مادة معينة، لكنه يشير إلى بنية هندسية يمكن أن تتشكل بها مادة ما، بنفس الطريقة التي يمكن بها صنع تمثال من الصلصال أو البلاستيك أو الورق، إلخ.
يمكن صنع الهلام الهوائي من مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك:
● السيليكا.
● معظم أكاسيد الفلزات الانتقالية (مثل أكسيد الحديد).
● معظم أكاسيد معادن اللانثانيدات والأكتنيدات (مثل أكسيد البراسيوديميوم).
● أكاسيد معدنية متعددة من المجموعة الرئيسية (مثل أكسيد القصدير).
● البوليمرات العضوية (مثل ريسورسينول-فورمالدهايد، فينول-فورمالدهايد، بولي أكليريك، بوليسترين، بولي يوريثان، وإيبوكسي).
● البوليمرات البيولوجية مثل (الجيلاتين، البكتين، الأغرة).
● هياكل أشباه الموصلات النانوية.
● الكربون
● أنابيب الكربون النانوية.
● المعادن مثل «النحاس والذهب».
ومن مركبات الهلام الهوائي التي تُنتَج بشكل روتيني تلك المدعمة بطبقة من طلاء البوليمر التي تحتوي على جسيمات نانوية مغناطيسية.
الهلام الهوائيّ وسيليكا الهلام الهوائي:
يُستخدم مصطلح الهلام الهوائي عادةً للإشارة إلى سيليكا الهلام الهوائيّ -مثل الأزرق الموضح في الصورة الأولى أعلاه- وهذا يشبه قولنا (بلاستيك) في حين أننا نقصد مثلًا البولي إثيلين. وهناك أنواع عديدة من البلاستيك مثل البولي بروبيلين والأكريليك والتفلون والنايلون، إلخ.
ونظرًا لانخفاض كثافته واحتوائه على بنية نانوية متناهية في الصغر، فهو غالبًا يتميز بخصائص مُحسنّة جدًا للمادة مثل الزيادة الكبيرة لمساحة السطح والنشاط الحفاز. وله أيضًا خواص منخفضة للمادة مثل الانخفاض في القوة الميكانيكية.
المميزات الخاصة للهلام الهوائي:
تتميز العديد من أنواع الهلام الهوائي بمزيج من الخصائص المدهشة التي لا تجتمع مع بعضها في أي مادة أخرى. سجلت أنواع محددة من الهلام الهوائي أقل نسبة كثافة من أي مادة معروفة أخرى تصل إلى 0.0011 غرام في كل سنتيمتر مكعب.
وأقل انتشار حر للمادة الصلبة، وأعلى مساحة سطح من أي مادة أخرى متجانسة (غير مسحوقة) 3200 متر مربع للغرام الواحد، وأقل ثابت عازل من أي مادة أخرى، وينتقل فيها الصوت بشكل أبطأ من أي مادة أخرى.
ومن خلال تكييف عملية الإنتاج، يمكن التعديل على الكثير من خصائص الهلام الهوائي؛ مثل الكثافة الظاهرية إذ تُضبط ببساطة عن طريق صنع (سلائف – precursor) أكثر أو أقل تركيزًا.
ويمكن أيضًا التحكم بالتوصيل الحراري بنفس الطريقة، لأن التوصيل الحراري مرتبط بالكثافة. تتراوح أعلى كثافة للهلام الهوائي بين 0.5 إلى 0.01 غرام/سنتيمتر مكعب، ومساحة سطح تتراوح من 100 إلى 1000 متر مربع لكل 1 غرام.
تعتمد الخصائص الأخرى، من شفافية ولون وقوة ميكانيكية والتأثر بالماء في المقام الأول على المواد المكونة للهلام. يعتبر هلام السيليكا الأكثر رواجًا والذي يراه الناس عادةً في الصور الفوتوغرافية، ويكون عادةً شفافًا مائلًا إلى الأزرق. بينما يكون الهلام الهوائي الكربوني غير شفاف وأسود.
أما الهلام الهوائي لأكسيد الحديد بالكاد يكون شفافًا ويمكن أن يكون أصفر أو بلون الصدأ. ويكون الهلام غير العضوي أقل كثافة (<0.1 غرام/ سم مكعب) وهو عازل حراري وكهربائي ممتاز، مثل معظم أنواع الهلام الهوائي الكربوني.
شرح الصورة: توضح هذه الصورة الخصائص الفائقة لهلام السيليكا، عن طريق عزل هذه الزهرة الرطبة والحساسة عن الحرارة الناتجة من (موقد بنزين)
خصائص فائقة لبعض هلام السيليكا الهوائي:
● أقل كثافة للمادة الصلبة (0.0011 غرام/سم مكعب).
● أدنى مؤشر انكسار بصري (1.002)
● أدنى توصيل للحرارة W/m.k
● أدنى سرعة للصوت عبر المادة (70 متر في الثانية).
● أدنى ثابت عزل من 3-40 غيغاهيرتز (1.008)
خاصية يتفرد بها الهلام الهوائي الكربوني:
أعلى مساحة سطح سُجلت لمادة متجانسة غير مسحوقة (3200 متر لكل 1 غرام).
ما هو ملمس الهلام الهوائي؟ وكم قوته؟
إن ملمس الهلام الهوائي غير العضوي مثل هلام السيليكا وأكاسيد المعادن (حبيبات الاستايروفوم -Styrofoam peanut). وعلى عكس الهلام الرطب مثل الجل، فإن الهلام الهوائيّ غير العضوي جاف وصلب وخفيف الوزن للغاية.
وبشكل عام، الهلام الهوائيّ هش جدًا، والهلام غير العضوي قابل للتفتت، ويمكن للهلام أن يتحمل 2000 ضعف وزنه وأحيانًا أكثر، ولكن نظرًا إلى أنه منخفض الكثافة فالأمر لا يتطلب الكثير للوصول إلى هذه النسبة، إذ يمكن لإصبعك أن يسحقه، وكأنه قطعة من حبوب (كاب إن كرانش).
أما هلام البوليمرات العضوية فهو أقل هشاشة ويشبه (رغوة بوتينغ الخضراء – green potting foam). ومع ذلك هناك العديد من أنواع الهلام الهوائي القوية جدًا التي تستطيع تحمل عشرات الآلاف من ضعف وزنها، مثل فئة (aerogel –x). إذ يمكن لهذه المواد أن تكون مرنة كالمطاط بالإضافة إلى كونها متينة ميكانيكيًا.
وإن أقوى نوع هلام هوائي بالنسبة للوزن هو من هذه الفئة ومصنوع من أكاسيد الفانديوم ، وتكون المواد المنافسة له مثل ألياف الكربون أقوى. لكن يمكن جعل معظم أنواع الهلام أقوى ببساطة عن طريق جعلها أكثر كثافة، ولكن هذا يأتي على حساب الوزن الخفيف والتوصيل الحراري الفائق.
اقرأ أيضًا:
تصنيع مواد من الذهب بوزن الهواء
خمسة عشر شيئًا غريبًا على الأرض ربما لم تسمع بها من قبل
الأميبا وجدت طريقة جديدة كليًا لحل مشكلة الحوسبة اللكاسيكية
ترجمة: محمد رشود
تدقيق: مينا خلف
