Chất rắn nhẹ nhất thế giới

Nếu được yêu cầu tạo ra chất rắn nhẹ nhất (ít đặc nhất), nhiều người sẽ nghiên cứu phần đầu của bảng tuần hoàn để tìm kiếm những nguyên tử khối lượng thấp. Tuy nhiên, thiên nhiên cho thấy có nhiều phương pháp tốt hơn để giảm độ đặc hay khối lượng riêng của một chất và con người đã đưa những phương pháp này tiến xa hơn nhiều.

Núi lửa phun ra dung nham mà sau khi nguội trở thành đá bazan nặng, nhưng đôi khi chúng cũng phun ra đá nổi trên mặt nước dưới dạng đá bọt. Đá bọt không nhất thiết cấu tạo từ các nguyên tố nhẹ hơn, nhưng những khoảng trống lớn chứa đầy không khí cho phép chúng nổi lên, đôi khi còn tạo thành bè lớn.

Aerogel cũng tương tự vậy. Vật liệu này ban đầu có dạng gel, sau đó chất lỏng được rút ra để thay bằng khí. Điều này nghe có vẻ đơn giản, nhưng thực chất, việc rút nhiều vật liệu nhất có thể nhằm giảm tối đa trọng lượng, đồng thời vẫn giữ được độ cứng đủ để không sụp đổ, đòi hỏi kỹ thuật và sự tinh tế.

Aerogel được cho là do nhà hóa học Mỹ Samuel Stephens Kistler phát minh năm 1931. Theo lời kể, Kistler lấy cảm hứng từ một vụ cá cược với nhà khoa học Charles Learned về việc thay thế chất lỏng bên trong lọ thạch mà không gây ra hiện tượng co ngót, theo Hiệp hội Vật lý Mỹ (APS). Ông sử dụng phương pháp sấy siêu tới hạn, buộc chất lỏng tiến vào trạng thái chất lưu siêu tới hạn bằng cách tăng nhiệt độ và áp suất. Sau đó, ông giảm áp suất, làm bay hơi và loại bỏ chất lỏng bên trong, chỉ để lại chất rắn xốp.

Gần một thế kỷ trôi qua, các nhà khoa học đã có thể sấy siêu tới hạn vật liệu để tạo ra aerogel có đến hơn 90%, thậm chí hơn 99%, không khí theo thể tích. Kỷ lục về aerogel nhẹ nhất hay ít đặc nhất được ghi nhận theo tổ chức Kỷ lục Thế giới Guinness là aerographene với khối lượng riêng 0,16 mg/cm3, do nhóm nghiên cứu từ Đại học Chiết Giang, Trung Quốc, phát triển năm 2013.

Ngoài tiết kiệm trọng lượng, aerogel còn giảm ồn rất tốt và giúp ngăn chặn sự truyền nhiệt qua dẫn nhiệt và đối lưu. Không khí dẫn nhiệt rất kém, và các túi khí mắc kẹt bên trong aerogel nhỏ đến mức gần như không có chuyển động. Điều này khiến aerogel trở thành chất cách nhiệt tuyệt vời, nhất là khi chính phần rắn cũng cách nhiệt tốt, ví dụ như silica. Aerogel làm từ vàng - nguyên tố thường rất nặng - không chỉ nổi được trên mặt nước mà còn là chất xúc tác lý tưởng.

Aerogel cũng hữu ích trong lĩnh vực khám phá không gian. Năm ngoái, NASA sử dụng chúng để thu thập những hạt bụi sao chổi tồn tại khi hệ Mặt Trời mới hình thành. Các nhà khoa học cũng từng đề xuất dùng vật liệu này để xây những mái vòm đồ sộ của căn cứ sao Hỏa, nơi phi hành gia tương lai có thể sống gần như bình thường mà không cần mặc bộ đồ vũ trụ.

Vì rất nhẹ, aerogel sẽ không cần nhiều vật liệu gia cố để chống đỡ. Một số loại thậm chí cho phép ánh sáng khả kiến chiếu xuyên qua, đồng thời cản bớt tia cực tím. Bằng cách ngăn chặn bức xạ hồng ngoại thoát ra ngoài, aerogel giúp giữ ấm cho căn cứ và cây trồng bên dưới có thể sản xuất đủ oxy để con người hô hấp.