لماذا يُعتبر الهلام الهوائي أخف مادة صلبة في العالم؟

هل تخيلت يوماً أن تحمل مادة صلبة بين يديك فلا تشعر بوزنها أو حتى تكاد لا تشعر بوجودها على الإطلاق! هل تخيلت أن تتمكن هذه المادة من حمل وزن أكبر من وزنها 4 آلاف مرة أي يستطيع الجرام الواحد حمل 4 كيلو جرام من أي ماده صلبة أخرى دون أي مقاومة ودون أن يضغط على راحة يدك! بالتأكيد تظن أن هذا درب من الجنون، لكنه العلم يا عزيزي، فأي شيء بالعلم مُتاح حتى ولو كان بالنسبة إليك مجرد خيال علمي لا يحدث إلا في الأفلام، هذه المادة التي نتحدث عنها اليوم هي الهلام الهوائي ” Aerogel”، فما هي هذه المادة؟ ومما تتكون؟ وما سر قدرتها الشديدة على التحمل؟

لماذا يُعتبر الهلام الهوائي أخف مادة صلبة في العالم؟

ما هو الهلام الهوائي

الهلام الهوائي يختلف تماماً عن الهلام السائل في خواصه الفيزيائية، فقد تم استبدال المادة السائلة في الهلام بمواد غازية ما أدى لإنتاج مادة منخفضة الكثافة لها مظهر شفاف وملمس أشبه برغوة الصابون، لذلك أطلق عليها البعض الدخان السائل أو المجمد.

خواصها

يتميز الهلام الهوائي عن باقي المواد الصلبة بأنه شديد الخفة وله قدرة كبيرة جداً على العزل الحراري، قادر على تحمل انفجار 2 طن كاملة من الديناميت دون أن يتأثر، لذلك فهو أفضل مادة عازلة في العالم، كما أنه يستطيع حمل أوزان ثقيلة جداً تصل ل 4000 ضعف وزنه بسهولة.

اكتشافها

تم اكتشاف هذه المادة بالصدفة في ثلاثينيات القرن الماضي بعدما قام العالم تشارلز ليرند بتحدي العالم ستيفن كستلر أن يقوم باستبدال السوائل الموجود في إناء من الفواكه المحفوظة بالغاز دون أن يحدث انكماش له، فقام العالم تشارلز لينرد بابتكار هذه المادة تحديداً عام 1931.

أنواعها

رغم أن المكون الرئيسي لهذه المادة هو الهلام أو الجيل إلا أنها تختلف تماماً في أنواعها وخصائصها عنه وذلك لأنها مكونه من 99% من الهواء، المشكلة الرئيسية التي كانت تواجه ضغط الهلام هو تفتت بنيته الجزيئية عند وضعه تحت ضغط شديد لكن هذه المشكلة انتفت بعد اكتشاف الهلام الهوائي وذلك لأنها مكونه من الهواء بالتالي بنيتها الهيكلية صلبة جداً ولها قدرة على تحمل الضغط الشديد فجزيئاتها تتلاحم معاً في مجموعات ذات مسامية عالية، لكن رغم ذلك يبلغ قطر المسام الواحد نحو 100 نانومتر، نتيجة لهذه الخواص المميزة أصبح الهلام الهوائي أفضل العوازل الحرارية وذلك لأن الهواء موصل رديء للحرارة, تم إنتاج عدة أنواع منه أهمها ما يلي:

• الهلام الكربوني

  هذا النوع يعتبر مادة ممتازة للعزل الإشعاعي وذلك لقدرة الكربون على امتصاص الأشعة تحت الحمراء وعدم السماح لها بالنفاذ خارجه.

• هلام السيليكا

  أكثر الأنواع الشائعة من هذه المادة وذلك لأنه عازل ممتاز للحرارة لوجود مادة السيليكا، كما أنها أُعلنت كأخف مادة في العالم رسمياً في عام 2011 وذلك لأن كثافتها بلغت 0.9 لكل سنتيمتر مكعب.

أهم استخدامات الهلام الهوائي

• يتم استخدامها كعازل حراري في المباني والنوافذ وذلك لشفافيتها الشديدة وقدرتها على تقليل الفاقد من حرارة المباني، وحالياً يُجرى أبحاث على هذه المادة في مُحاولات لإنتاج مادة أكثر شفافية والتقليل من مظهرها الشفاف.
• يمكن أن تُستخدم كمادة لامتصاص المواد الكيميائية المنسكبة أثناء التجارب الكيميائية عن طريق خاصة الامتزاز.
• تستخدم كعامل إذابة في تصنيع بعض المواد مثل الدهانات ومستحضرات التجميل.
• بدأ استخدامها في تصنيع بعض مواد التدفئة مثل “البطانيات الحرارية” منذ عام 2000، وذلك بعد أن تم تعزيز هلام السيلكيا ببعض المواد والألياف لتحويلها إلى مادة مرنة والاستفادة من خواصها العازلة للحرارة.
• تم استخدامه أكثر من مرة في المركبات الفضائية، فقد استُخدم في الإمساك بالغبار الفضائي في مركبة ستار داست الفضائية، وكعازل حراري في مركبة مارس روفر.
• تُجرى حالياً أبحاث من قبل البحرية الأمريكية لاستخدامه كبطانة في سترات الغوص للحفاظ على درجة حرارة أجسام الغواصين.
• يتم استخدامه في صناعة المركبات النانوية والتي تُستخدم في التخلص من النفايات أو كمواد محفزة ودروع مغناطيسية وأجهزة استشعار وذلك عن طريق تشريب المعادن النبيلة بالهلام الهوائي فتترسب هذه المركبات النانوية بعد انفصال آشعة جاما.
• نظراً لمساميتها الشديدة فإنها تُستخدم في صناعة الأدوية إما كنظام لتسليمها، أو امتصاص العقارات التي تحتوي على ثاني اكسيد الكربون الحرج.
• يستخدم في صناعة المكثفات فائقة الصغر وذلك لصغر حجمه وقدرته الفائقة على التحمل فيصبح المكثف أصغر بنحو ألفان إلى 5 آلاف مرة من الحجم الطبيعي له، كما يكون أقدر على إنتاج تيارات كهربية فائقة الشدة.
• يُصنع منه بعض الأدوات الرياضية مثل مضارب التنس والراكيت والاسكواش.
• يُستخدم لتنقية المياه من المعادن الثقيلة لقدرته على امتصاص هذه الملوثات المعدنية مثل الزئبق الكادميوم.