Erstatning av vann med løsemidler med lavere termisk ekspansjonskoeffisient, som tert-butanol, kan bidra til å redusere krymping i cellulosebaserte aerogeler. Dette vil imidlertid kreve et ekstra løsemiddelutvekslingstrinn, som kan føre til krymping, spesielt når man bruker anhydride løsemidler. Cellulose-nettverkets arkitektur er sterkt avhengig av tett bundet overflatevann for effektiv hydrogenbinding, og slike endringer kan påvirke strukturen betydelig. Likevel har CNF-aerogeler oppnådd gjennom vakuum-assistert sublimering av tert-butanol fra dypt frosne geler (−20 °C i 48 timer) vist minimal volumetrisk krymping (ca. 5 %) og en spesifikk overflateareal på 165 m²/g med en gjennomsnittlig porøsitet på 10 nm (Wang et al., 2017).

Superkritisk væsketørking (SCF-tørking) er fortsatt den foretrukne metoden for å konvertere myke fysiske geler til lette og høyporøse aerogeler, spesielt når bevaringen av nettverksbyggeblokker er avgjørende for å oppnå spesifikke egenskaper. Som frysetørking unngår SCF-tørking å krysse grensen mellom væske- og dampfasene, og dermed elimineres kapillærkrefter (Fig. 19.3, venstre). Denne metoden unngår også komprimering og ødeleggelse av nettverket som kan oppstå fra dannelsen av skarpe iskrystaller, ettersom ingen solidifisering kreves på forhånd. SCF-tørking fungerer på prinsippet om at fasen til væsker forsvinner når de kritiske forholdene er nådd.

Flytende karbondioksid er den vanligste væsken brukt for SCF-tørking på grunn av dens rikelige tilgjengelighet, lave kostnad, kjemiske inaktivitet og utmerkede resirkulerbarhet (Zhang et al., 2014). CO₂ har milde kritiske forhold (30,98 °C, 7,375 MPa), noe som gjør det spesielt egnet for termisk følsomme materialer som cellulose. CO₂ oppfører seg som en typisk væske under sitt kritiske temperaturpunkt, mens det over dette punktet øker tettheten kontinuerlig uten en tydelig overgang mellom væske og damp. Ved vanlige tørkeforhold (40 °C, 10 MPa) har CO₂ en tetthet (628 kg/m³) som ligger mellom væske- og gassform.

For å konvertere hydrogeler til aerogeler kreves det et mellomtrinn hvor vann blir erstattet med et organisk løsemiddel som er godt blandbart med flytende CO₂. Denne prosessen må håndteres nøye for å unngå betydelige reduksjoner i volum og porøsitet som følge av løsemiddel-polymer-interaksjoner, spesielt påvirkningen fra hydrogenbindingene knyttet til cellulose sine hydroksylgrupper. Hansen-modellen viser at erstatning av vann med løsemidler som etanol, aceton eller THF reduserer den kohesive energitettheten (δSI) og hydrogenbindingkomponenten (δH) betydelig. For eksempel reduseres δH fra 42,3 MPa¹/² (vann) til 19,4 MPa¹/² (etanol), 8,0 MPa¹/² (THF) og 7,0 MPa¹/² (aceton). Løsemidler med verdier for δSI og δH som ligner på vann er å foretrekke og har blitt validert for BNC-hydrogeler (Pircher et al., 2014).

Bruken av etanol som et mellomliggende løsemiddel før SCF-tørking (40 °C, 10 MPa) resulterte i aerogeler med lavere tetthet (7,8 ± 0,5 mg/cm³) sammenlignet med de som ble produsert med aceton (9,4 ± 0,6 mg/cm³) eller THF (9,6 ± 0,8 mg/cm³). Etanols gunstige egenskaper – som blandbarhet med scCO₂, lav viskositet, enkel restitusjon, miljøvennlighet og kostnadseffektivitet – gjør det til et optimalt valg for å konvertere cellulose-hydrogeler til aerogeler med god bevaring av den opprinnelige formen og nettverksmorfologien (Fig. 19.3, høyre).

Superkritisk CO₂-ekstraksjon av etanol (eller andre blandbare løsemidler) krever nøye prosesskontroll for å hindre kryssing av den binære etanol/CO₂-fasegrensen under tørking (Mukhopadhyay & Rao, 2008). Denne grensen, definert av kokepunktene og kondensasjonskurvene, indikerer damptrykket til etanol og dets kritiske punkt ved høye CO₂-konsentrasjoner. Under tørkeprosessen plasseres alcogelen i et høyt trykk-stålbeholder, tilkoblet en dobbeltkolvpumpe og en forvarme-enhet ved inntaket, samt en baktrykksventil ved utløpet. Tørkekammeret bør være for-saturert med etanol-damp for å unngå tørking ved normalt trykk. Først fylles gelens porer med etanol (punkt A, Fig. 19.4, venstre). Deretter, ved pressurisering med forhåndsvarmet CO₂ (40 °C), diffunderer CO₂ inn i etanolvæsken i porene og øker dens volum og tetthet, samtidig som overflatespenningen reduseres (Jessop et al., 2005). Etter hvert som CO₂/etanol-fasen ekspanderer, begynner CO₂ å forlate porene, og CO₂-løselighet i etanol øker med trykket, forutsatt at det binære systemet forblir under det kritiske trykket (Fig. 19.4, høyre).

Når dette likevektspunktet er nådd og operasjonelt trykk overstiger systemets kritiske trykk, kan konvektiv fjerning av etanol/CO₂-fasen starte ved bruk av superkritisk CO₂ (punkt B, Fig. 19.4, venstre). Prosessen fortsetter til etanolinnholdet i porene er lavt nok til å hindre rekondensasjon ved depresjon, noe som ville skape kapillærkrefter. Den nødvendige tiden for å nå dette stadiet (punkt C, Fig. 19.4, venstre) varierer avhengig av massetransportmotstanden som representeres ved en effektiv diffusjonskoeffisient (Deff) (Masmoudi et al., 2006). Denne motstanden er avhengig av forskjellige egenskaper ved gelen, som nettverksarkitektur, porefordeling, tortuositet og bevaring av tett bundet overflatevann etter løsemiddelutveksling.

Selv om SCF-tørking er en kompleks prosess, spesielt for større monolitter eller formede deler som involverer flere løsemiddelutvekslingstrinn, begrenset batchbehandling og ineffektiv bruk av tørkerommet og CO₂, har det vært en betydelig push for å utvikle enklere tørkemetoder. I dag regnes tørking ved omgivelsestemperatur som en av de mest praktiske teknologiene for storskala produksjon av aerogeler.

Hvordan fungerer fargebaserte sensorer for gasser og damp?

I den moderne utviklingen av sensorer for gasser og damp, har fargeindikatorer fått stor oppmerksomhet for sin enkle og kostnadseffektive metode for deteksjon. I denne sammenhengen har ulike fenomener som elektrokrhromisme, solvatochromisme, gasokromisme og dampkromisme vist seg å være spesielt lovende for å utvikle sensorer som kan oppdage gasser og volatile organiske forbindelser (VOC).

Forskning av Sun et al. (2019) viste utviklingen av en selvforsynt papirkromatisk biosensor (ESPB) som bruker elektrokrhromisme for å visualisere formaldehyd. Denne fargebaserte sensoren representerer en praktisk, sensitiv og økonomisk måte å utføre tester på. På samme måte har Chow et al. (2017) demonstrert at papirbaserte pH-sensorer kan integreres med elektrokrhromiske sensorer, der elektrokrhromisk materiale i kombinasjon med grafittseparatorer gir muligheten til å måle pH-nivåer gjennom fargeforandringer.

Solvatochromisme refererer til endringer i absorpsjonsspekteret for materialer som følge av solvensens påvirkning. Når et solvatochromisk materiale blir utsatt for ulike løsemidler, kan en reversibel fargeendring oppstå, drevet av et skifte i absorpsjonsmaksimum. Dette fenomenet er spesielt interessant i utviklingen av gassensorer, ettersom fargeendringen kan brukes til å påvise tilstedeværelsen av bestemte gasser som er i kontakt med materialet.

Gasochromisme er et annet fenomen som kan anvendes i utviklingen av fargebaserte sensorer. Dette skjer når materialer reagerer med oksiderende eller reduserende gasser, som hydrogen eller oksygen, og forårsaker reversible fargeendringer. For eksempel er WO3 (tungstenoksid) et velkjent materiale som kan endre farge ved reaksjon med oksygen eller hydrogen. Denne fargeforandringen skjer raskt og reversibelt, og forbedres ytterligere når materialet er belagt med katalytiske lag som palladium eller platina.

Samtidig er det viktig å merke seg at bruk av metalloksider i papirkromatiske gassensorer er begrenset, da disse materialene vanligvis krever høyere temperaturer for å fungere effektivt, noe som kan være problematisk når de er inkorporert i papirbaserte sensorer. Derfor har forskere også undersøkt bruk av organiske forbindelser, som fargestoffer og organisometalliske komplekser, som kan gi gode resultater ved lavere temperaturer. Eksempler på slike sensorer inkluderer de utviklet av Gu og Huang (2013), hvor polyanilinfiler på cellulosepapir brukes for å oppdage ammoniakk i gassform.

En annen tilnærming til fargebaserte sensorer er dampkromisme, som refererer til fargeendringer forårsaket av interaksjon med dampene av organiske forbindelser. I likhet med solvatochromisme og gasochromisme, er dampkromisme et fenomen der materialets farge skifter som respons på kjemiske interaksjoner med molekylene i dampen. Rakow og Suslick (2000) viste tidlig hvordan forskjellige metalloporfyriner kan brukes i sensorarrays for å identifisere og skille mellom ulike VOC-er, en metode som senere har blitt videreutviklet for å inkludere identifikasjon av spesifikke kjemikalier som alkohol, drivstoff og andre industrielt viktige forbindelser.

I kommersiell sammenheng har fargebaserte sensorer blitt brukt til å identifisere drivstoffdamp, alkoholholdige væsker og til og med eksplosiver som nitroaromatiske forbindelser. Dette gjør fargebaserte sensorer til et kraftig verktøy for både industriell og miljømessig overvåking, ettersom de gir raske, kostnadseffektive og enkle måter å detektere farlige eller miljøskadelige gasser på.

For å forstå de praktiske anvendelsene og utfordringene ved utviklingen av slike sensorer, er det viktig å erkjenne at de ulike mekanismene bak fargeforandringer – som ringåpning/lukking, funksjonelle gruppereaksjoner, ligandbytte og fasedransformasjoner – alle spiller en rolle i hvordan gassene og dampene reagerer med sensorene. En grundig forståelse av disse mekanismene kan bidra til bedre design og effektivitet av sensorene, spesielt i mer komplekse applikasjoner som krever høy følsomhet eller selektivitet.

I tillegg er det viktig å påpeke at ikke alle fargekromatiske sensorer er like pålitelige. Kvaliteten på det brukt materialet, miljøforholdene og typen gass eller damp som detekteres, kan alle påvirke sensorens ytelse. Derfor er det nødvendig å utføre grundige tester for å sikre at sensorene kan tilby nøyaktige resultater under forskjellige forhold.

Hvordan smarte ringer kan revolusjonere helsetracking og trening
Hva er den sanne prisen for lojalitet og svik i et tøft vesten?
Hvordan teknologi forandrer detaljhandelens fremtid: Den nye æra av agentiske systemer