Wenn man Gele an der Luft trocknet, verdunstet die Flüssigkeit darin, und das Gel schrumpft. Dieses Phänomen kennen wir auch von Obst. Der Grund dafür ist, dass beim Verdunsten Kapillarkräfte die Gele so stark zusammenziehen, dass die Struktur kaputtgeht. Daher lassen sich Aerogele nicht durch Lufttrocknung, aber auch nicht durch Trocknung im Backofen herstellen, denn da passiert dasselbe.
Was sind denn Kapillarkräfte?
Kapillaren sind feine, lange Hohlräume, also enge Röhren oder Spalten. Wenn Flüssigkeiten eine Kapillare berühren, sind die Anziehungskräfte zwischen der Flüssigkeit und der Kapillarwand oft größer als die Anziehungskräfte innerhalb der Flüssigkeit, nämlich wenn die Flüssigkeit das Material benetzt. Es wirken dann Kapillarkräfte an der Grenze zwischen Flüssigkeit, Wand und Luft, die die Flüssigkeit in der Kapillare gegen die Schwerkraft nach oben steigen lassen. Bei breiten Gefäßen spielen diese Kräfte am Rand keine große Rolle, aber bei engen Kapillaren schon. Kapillarkräfte bewirken zum Beispiel, dass flüssiges Wachs im Docht zur Flamme aufsteigt und dass sich poröse Materialien wie Ziegel, Textilien und Papier mit Wasser vollsaugen. Ebenso zieht sich bei einer Blutabnahme aus dem Finger das Blut in einer dünnen Glaskapillare hoch.
Auch beim Verdunsten von Flüssigkeiten in engen Hohlräumen treten Kapillarkräfte auf, nämlich wenn das Wasser am Ausgang der Pore schon verdunstet ist, aber die Pore die Flüssigkeit aufgrund der Kapillarkräfte „festhält“. Es bildet sich ein sogenannter „Meniskus“, eine gewölbte Oberfläche aus, siehe Bild 3 der Abbildung.
Dabei gilt: Je enger eine Röhre oder ein Hohlraum ist, umso größer ist die Kapillarkraft! Da die Poren in Gelen extrem klein sind, treten beim Verdampfen von Flüssigkeiten in diesen Poren sehr starke Kapillarkräfte auf. Da diese aber in das Innere der Poren wirken , ziehen sie die Wände der Pore zusammen und die Pore wird zerstört, da die Wände einstürzen, (siehe Bild 4 der Abbildung).
Diesen Effekt können wir beobachten, wenn wir z.B. ein Hydrogel an der Luft langsam (oder schneller im Backofen) trocknen. Auch im Alltag können wir die Wirkung von Kapillarkräften beobachten: Wenn z.B. Obst und Gemüse and der Luft trocknet schrumpelt und schrumpft es, da die Poren im Obst durch die Kapillarkräfte zerstört werden. Klingt kompliziert? Hier eine einfache Kurzzusammenfassung:
Zusammenfassende Antwort zur Frage: Können wir Aerogele durch Lufttrocknung herstellen?
- Aerogele lassen sich nicht durch Lufttrocknung herstellen, denn wenn das Wasser in den Poren verdunstet, kommt es an der Phasengrenze zu starken Kräften, die in das Innere der Pore wirken und sie zusammenziehen -> „Kapillarkräfte“
- Die Kapillarkräfte sind höher, je kleiner die Pore ist.
- Bei der Aerogel-Herstellung muss das Auftreten von Kapillarkräften daher unbedingt verhindert werden! Dazu wird die „überkritische Trocknung“ eingesetzt.
- Bei der überkritischen Trocknung werden die Kapillarkräfte umgangen, da es nicht gleichzeitig eine Flüssig- und eine Gasphase mit Phasengrenze gibt, sondern nur einen Wechsel ohne Phasenübergang zwischen Flüssigphase und überkritischem Zustand und später zwischen überkritischem Zustand und Gasphase.