Laboratorium profesora Markusa Niderbergera na Politechnice Federalnej w Zurychu jako jedyne na świecie wytwarza niezwykłe materiały. Z krystalicznych półprzewodników powstaje tam ultralekka i sztywna piana. Taki rodzaj materiałów nazywa się aerożelami.

Superlekkie aerożele sprawdzają się jako izolacja i pochłaniacze pyłów

Aerożele są niewiele cięższe od powietrza. Gęstość powietrza wynosi 1,2 miligrama na centymetr sześcienny, zaś aerożeli około 2 mg na centymetr sześcienny. Dla porównania, najlżejsze drewno balsa ma przynajmniej dwudziestokrotnie większą gęstość.

Takie materiały mają wiele ciekawych właściwości. Znakomicie izolują ciepło, tłumią hałas. Dzięki temu, że są bardzo porowate, pochłaniają też zanieczyszczenia. Jeden gram aerożelu może mieć całkowitą powierzchnię aż 1200 metrów! Z aerożelu wykonano na przykład pułapkę na kosmiczny pył w satelicie Stardust.

Laboratorium prof. Niederbergera jednak tworzy aerożele z innego powodu. Duża powierzchnia ma także olbrzymie znaczenie w przypadku katalizatorów. To związki, które same nie wchodzą w reakcje chemiczne, ale znacznie je ułatwiają. Im większą katalizator ma zaś powierzchnię, tym łatwiej i szybciej zachodzi reakcja.

Jak rozłożyć wodę na tlen i wodór? Za pomocą aerożelu

Odpowiednie katalizatory mogą sprawić, na przykład, że pod wpływem słońca woda zacznie się rozkładać wodę na tlen i wodór. Ten ostatni zaś może być wykorzystany jako niezwykle czyste paliwo – po jego spaleniu pozostaje tylko woda.
 
Jednym z takich związków, które rozkładają wodę na tlen i wodór, jest dwutlenek tytanu z domieszką palladu. Domieszki to często stosowana metoda zwiększania sprawności półprzewodników. Do kryształów np. krzemu wprowadza się obce atomy, które modyfikują jego właściwości. Proces ten nazywa się domieszkowaniem. W przypadku palladu, niewielka liczba jego atomów zwiększa skuteczność dwutlenku tytanu aż siedemdziesięciokrotnie.

Taki materiał ma jednak wadę – pochłania tylko 5 procent energii słońca. Chodzi o energię przypadającą na ultrafioletową część promieniowania słonecznego. To sprawia, że jest raczej mało sprawnym katalizatorem. Do przemysłowej produkcji wodoru potrzeba bardziej wydajnego materiału, który wykorzystywać będzie także światło widzialne.

Azot sprawił, że rozkład wody na tlen i wodór jest możliwy też z użyciem światła widzialnego

Junggou Kwon, doktorantka prof. Niederbergera, wpadła na pomysł, żeby materiał dodatkowo zmodyfikować dzięki domieszce atomów azotu. W pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Applied Materials and Interfaces” badacze donoszą, że taki aerożel pochłaniał także widzialną część promieniowania słonecznego. Opracowany materiał był też stabilny – co jest kluczowe w przypadku przemysłowego zastosowania.

Badaczka dodaje, że na razie są to badania, które miały tylko dowieść, że pomysł się uda. Trzeba będzie jeszcze poprawić strukturę takiego materiału. Na razie pory aerożelu są na tyle małe, że utrudnia to przepływ gazu. Zespół prowadzi teraz dalsze badania, by temu zaradzić.

Aerożele są nadal dość drogimi materiałami, choćby dlatego, że nie są jeszcze produkowane na skalę przemysłową. Cena może jednak być niewielką przeszkodą, jeśli taki katalizator posłuży do wytwarzania wodoru, czyli czystego paliwa, z wody i ze słońca.

Źródła: ETH Zurich, Applied Materials and Interfaces.