Аэрогель что это такое
Аэрогель — материал ХХI века
Испытания уникального новосибирского изобретения для исследований природы Вселенной — аэрогеля — на Большом адронном коллайдере в CERN по
Испытания уникального новосибирского изобретения для исследований природы Вселенной — аэрогеля — на Большом адронном коллайдере в CERN показали рекордную точность измерений скорости элементарных частиц. Сейчас эти эксперименты продолжаются в СО РАН.
| Аэрогель |
Сибирский дым
Его называют твердым воздухом или замороженным газом, а внешне он напоминает кристалл застывшего дыма. Он входит в книгу рекордов Гиннеса из-за целого ряда своих удивительных свойств. С его помощью в открытом космосе регистрируют частицы антивещества и улавливают микрометеориты. Гели, где вместо жидкости воздух, обладают целым рядом удивительных свойств и обещают революцию в энергетике, микроэлектронике и других областях. Для производства аэрогеля с нужными свойствами используют углерод и оксиды некоторых металлов, но наибольшую известность и применение пока получил диоксид кремния – прозрачное вещество, известное под названиями «кремнезём» и «кварц». Именно из него ученым впервые удалось создать что-то вроде пены, которую впоследствии сделали всего втрое плотнее воздуха. И хотя аэрогель был создан более 80-ти лет назад, его считают материалом 21 века, поскольку использовать его чудесные свойства в полном объеме пока не удается. Корпорации терпеливо ждут, когда ученые сделают его более доступным по цене.
«Оригинальные свойства кремниевому аэрогелю придает его пористая структура – переплетение цепочек из частиц диоксида кремния с диаметром 4-6 нм и пустотами размером от 20 до 100 нм, – рассказывает руководитель группы аэрогелевых материалов Института катализа им.Г.К.Борескова СО РАН Александр Данилюк. – Коэффициент пористости аэрогеля из диоксида кремния может варьироваться в пределах 85% -99.95%, а преломление в нем света зависит от его плотности. Малая плотность полученного вещества (размер пор меньше длины волны видимого света) дает уникальный показатель преломления».
Сибирские ученые сегодня производят аэрогель с плотностями от 0.03 до 0.3 г/см3 и показателями преломления от 1.006 до 1.08. Соответственно, он может быть разного веса, в среднем легче воды в 6-15 раз. Настолько низким уровнем преломлением света до получения этого уникального наноматериала обладал только сжатый под давлением газ. При этом один кубический сантиметр аэрогеля выдерживает вес более 3 кг, что в несколько тысяч раз больше его собственного веса. Какие новые возможности открывает такой материал? Сегодня он играет роль космического детектора, с помощью которого получают данные о пролетающих сквозь него частицах.
| Научные сотрудники СО РАН Александр Данилюк и Евгений Кравченко демонстрируют образцы полученного аэрогеля |
Космическая ловушка
«Когда заряженная элементарная частица – электрон, позитрон, протон или ядро антивещества – проходит через аэрогель, она производит вспышку света, позволяющую определить, с какой скоростью и под каким углом она двигалась. Для проведения необходимых измерений за блоками аэрогеля установлена матрица из фотонных детекторов, а сами блоки играют роль радиатора, который излучает на эти детекторы потоки фотонов, – объясняет старший научный сотрудник Института ядерной физики им Г.И.Будкера СО РАН Евгений Кравченко. – В2012 году испытания нашего аэрогеля показали рекордную точность измерений скорости элементарных частиц в эксперименте, который мы проводили в CERN вместе с немецкими коллегами. В настоящее время мы продолжаем наши эксперименты уже на базе ИЯФ, поскольку немецкое детектирующее оборудование Philips было доставлено в Новосибирск.
В ряде экспериментов аэрогель обеспечивает плавное снижение скорости любых «влетающих» в него микрометеоритов (в том числе из замерзшего газа), а его высокая прозрачность позволяет наблюдать оставшиеся от них треки после того, как они испарились. По глубине и размеру треков можно оценить массу и скорость этих частиц. Такие работы важны для обеспечения безопасности космических аппаратов».
Оборудование с использованием аэрогеля работает как в ускорителях, так и в открытом космосе – его укрепляют снаружи на спутниках или на борту космического корабля. Американские ученые в международной программе использовали аэрогель для улавливания микрометеоритов на борту международной станции «Мир», а в программе НАСА «Звездная пыль» (Stardust) космический зонд «поймал» миллионы крошечных частиц из хвоста кометы Wild 2 и доставил аппарат с этими образцами на землю. В программе BESS, которая проводилась в 2004-м и 2007-м годах в Антарктиде международной коллаборацией также под эгидой НАСА, оборудование с радиатором из аэрогеля поднимали на стратостате в верхние слои атмосферы, чтобы регистрировать («ловить») заряженные элементарные частицы без дорогостоящей доставки оборудования на космический корабль. Малый вес аэрогеля позволил сделать марсианские роверы Mars Pathfinder и Spirit на 4,5 кг легче – там он использовался как очень эффективный теплоизолятор.
| С помощью лазера можно увидеть степень прозрачности и однородную структуру аэрогеля |
Рецепт аэрогеля
Получение «воздушного геля» или, как его иногда называют, пористого кварца начинается со смешивания алкоксида кремния и воды, в результате чего образуется кремнезем и метанол. В течение нескольких часов этот состав постепенно превращается в прозрачное желе, где происходит гидролиз частиц кремнезема размером 2-3 нм. Они собираются в цепочки, внутри которых образуются пустоты, заполненные растворителем – метанолом. Еще три недели этот состав «стареет» – происходит укрепление его структуры. Затем в автоклаве под давлением 120 атм. и нагревом 240°С из пустот удаляют спирт. Чтобы стенки пор не сжимались, а полученный материал не потрескался, используется технология сверхкритической сушки. Другими словами, в автоклаве достигается такое соотношение давления и температуры, которое позволяет аккуратно обойти момент, когда метанол в автоклаве может находиться сразу в двух состояниях – газообразном и жидком, и разностью давлений на границе может разрушить стенки аэрогеля, и материал остается в целости и сохранности.
После автоклава блоки отжигают в муфельной печи для повышения их прозрачности, обрезают алмазной нитью, достигая искомых размеров и… твердый воздух готов! Плотность аэрогеля в процессе производства можно варьировать – для некоторых экспериментов она может быть чуть выше, а аэрогель с минимальной плотностью на ощупь мягкий, как поролон – такие блоки производства сибирских ученых используют на одном из детекторов Большого адронного коллайдера. Впрочем, голыми руками трогать аэрогель не следует – он мгновенно впитывает в себя влагу из всего, с чем соприкасается. Вода не идет на пользу его прочности, а кожа на кончиках пальцев становится сухой, как бумага. Чтобы аэрогель не напитывался влагой, блоки хранят в полиэтиленовых пакетах.
80 лет материалу ХХI века
Впервые аэрогель получил еще в начале прошлого века американский химик из университета Стенфорда Сэмюэль Кистлер, опубликовавший свои результаты в журнале Nature. В ходе опытов ученый заменил жидкость в обычном геле метанолом и под высоким давлением нагрел его до критической температуры 240° С. Спирт испарился, но оставшаяся структура не уменьшилась в объеме. В настоящее время аэрогель производят лишь те, кто сумел достичь наилучших показателей этого материала – его выпуском «под заказ» занимаются только в Сибирском отделении Российской академии наук и в японской компании Matsushita. Остальные исследовательские лаборатории производят его для собственных нужд. Проблема в том, что производство аэрогеля очень дорогое, а рынок реализации готового продукта ограничивается областью научных исследований. Монолитный однородный блок объемом всего 2 л стоит до 6 тысяч евро.
Аэрогель
Аэрогель – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и отсутствием водопоглощения.
Аэрогель. Что это за материал?
Свойства и преимущества аэрогеля
Применение аэрогеляАэрогель, что это за материал?
Аэрогель (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и отсутствием водопоглощения.
Нередко аэрогель называют “замороженным дымом” из-за его внешнего вида. С виду он чем-то походит на застывший дым. На ощупь аэрогель напоминает легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта.
Аэрогель представляет собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм, жестко соединенных между собой. Этот каркас занимает малую часть объема от 0,13 до 15%, все остальное приходится на поры.
Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов.
Распространены аэрогели различной природы: как неорганической – на основе аморфного диоксида кремния (SiO2), глинозёмов (Al2O3), графена (называется аэрографен), графита (называется аэрографит), а также оксидов хрома и олова, так и органической – на основе полисахаридов, силикона, углерода. В зависимости от основы аэрогели проявляют различные свойства. Вместе с тем имеются общие свойства, характерные для всего класса данного материала.
Как теплоизолятор изготавливается в виде матов, рулонов.
– высокая пористость. На 99,8% состоит из воздуха,
– имеет рекорд по самой малой плотности у твердых тел — 1,9 кг/м³, это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха (кварцевые аэрогели),
– уникальный теплоизолятор. Имеет низкую теплопроводность – λ = 0,013 ~ 0,019 Вт/(м•К) (в воздухе при нормальном атмосферном давлении) меньшую, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м•К) (кварцевые аэрогели). Как утеплитель в 2-5 раз эффективнее традиционных утеплителей,
– температура плавления составляет 1200°C (кварцевый аэрогель),
– аэрогель является прочным материалом. Он выдерживает нагрузку в 2000 раз больше собственного веса,
– имеет низкий модуль Юнга,
– не сжимается, устойчив к деформации, имеет высокую прочность на растяжение,
– скорость распространения звука имеет самое низкое значение для твердого материала, что является важным преимуществом при создании шумоизоляционных материалов. Скорость звука в нем ниже скорости звука в газах,
– некоторые виды аэрогеля являются отличным сорбентом. Они в 7-10 раз эффективнее популярных современных сорбционных материалов,
– является устойчивым пористым веществом. Объем пор внутри аэрогеля в десятки раз превышает объем, занятый самим материалом. Данное свойство позволяет использовать аэрогель определенного состава в качестве катализатора в химических процессах с целью получения органических соединений. С другой стороны, его большая внутренняя емкость может быть использована для безопасного хранения определенных веществ, например, ракетного топлива, окислителя и пр.,
– отличная гидрофобность. Не впитывает влагу,
– обладает высокой жаропрочностью и термостойкостью. Имеет широкий рабочий температурный диапазон использования – от -200 °С до +1000 (1200) °С. Без потерь сохраняет теплоизоляционные и механические характеристики при нагревании до не менее 1000°С,
– является негорючим материалом. Может использоваться также для огнезащиты различных конструкций,
– прозрачен (кварцевый аэрогель). Имеет показатель преломления света от 1,1 до 1,02. Из него можно изготавливать различные виды стекол,
– обладает достаточно высокой твердостью,
– долговечность,
– экологичен и безопасен для человека и окружающей среды,
– имеет большую удельную площадь внутренней поверхности. Она составляет порядка 300-1000 м2/г,
– химический состав аэрогеля можно регулировать, легко вводить в его состав различные добавки, что открывает новые возможности для его использования,
– устойчив к кислотам, щелочам, растворам,
– в тоже время является хрупким материалом.
Применение аэрогеля:
– в научных исследованиях в области ядерной физики,
– для звукоизоляции,
– для теплоизоляции зданий, сооружений, складов, холодильников, нефтепроводов, труб, прочих объектов и оборудования,
– для огнезащиты,
– пр.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com,
https://www.pinterest.ru/pin/124693483405046939/,
https://cemicvet.mediasole.ru/21_foto_o_tom_kak_udivitelen_nash_mir
карта сайта
subnautica графен как сделать графеновый аэрогель купить цена применение своими руками видео википедия теплоизоляция самый легкий материал в мире графеновому аэрогелю аэрозоль кварцевый углеродный как сделать материал аэрогель субнаутика википедия производство утеплитель в домашних условиях углерода frozen smoke диоксида кремния применение получение температура воспламенения аэрогелей оксида алюминия плотность использование стельки из производство аэрогеля в россии аэрогели оксидов алюминия и титана почему аэрогель не взлетает сабнатика фото характеристики презентация свойства одежда состав применение аэрогеля tio2 в катализе
comments powered by HyperCommentsПять стихий: воздух
Бывают ли материалы, на 90 процентов состоящие из воздуха? И при этом твердые, тепло- и звукоизолирующие, проводящие электричество и вообще способные найти себе применение сразу в нескольких отраслях промышленности? Читайте в очередной статье из нашего цикла «Пять стихий», который N+1 делает совместно с НИТУ «МИСиС», об аэрогелях — наноматериале, заполненном воздухом.
Свойства аэрогелей
На фото ниже представлен один из самых распространенных аэрогелей — из диоксида кремния. Его еще называют «голубым дымом» за красивый опалово-голубоватый оттенок. Внешне этот аэрогель выглядит как кусок льда, но на самом деле он удивительно легкий и твердый. И совершенно сухой. На ощупь похож на пенопласт, но никак не на желе или лед. Если уронить кусочек такого «дыма» на твердую поверхность, то он запрыгает, как надувной мячик, а звук будет похож на звон стеклянной елочной игрушки. 
NASA /JPL
Существуют и другие аэрогели самых разных расцветок, но такие же невесомые. Какими свойствами обладает этот материал? Вот наиболее характерные:Большинство аэрогелей легко ломаются руками, несмотря на свою твердость. То есть они хрупкие, но твердые — некоторые выдерживают без разрушения вес, превышающий собственный в 4000 раз. 
Кирпич поддерживается эфемерным брусочком из диоксида кремния
NASA /JPL
Впрочем, уже созданы пластичные аэрогели, которые можно гнуть и по которым можно даже стучать молотком. Как раз такие материалы планируется использовать для утепления скафандров, создаваемых в рамках будущей марсианской экспедиции. И не только скафандров — производители одежды и туристического снаряжения уже сейчас активно экспериментируют с подобными материалами.У аэрогелей есть еще один уникальный параметр — отношение площади полной поверхности к весу: до 3200 квадратных метров на грамм. Это означает, что если представить площадь всей поверхности в виде единой плоскости, то одного грамма этого материала хватит, чтобы покрыть половину футбольного поля! Как такое может быть? Все дело в структуре этого удивительного материала. Оказывается, что аэрогель — это почти сплошная «дырка от бублика»: сверхтонкие твердые стеночки толщиной всего в несколько нанометров (одна миллионная миллиметра) образуют сложный трехмерный лабиринт из пор и слоев. Сами поры имеют размеры от десятков до сотен нанометров и в обычных земных условиях заполнены воздухом — он заполняет 90-99 процентов объема материала. А при случае эти супергубки отлично заполняются и чем-то еще. Например, нефтью, разлитой по поверхности моря из-за аварии танкера. Кроме того, такая огромная площадь при столь малом весе замечательно подходит для создания ионисторов — суперконденсаторов с емкостью в сотни и тысячи фарад (емкость обычного конденсатора обычно измеряется микрофарадами). Возможно, именно они заменят в ближайшем будущем классические аккумуляторы. И не забудем про катализаторы, ведь в них площадь поверхности также играет решающую роль — от нее зависит эффективность воздействия катализатора на химическую реакцию.
Что такое гель
Итак, в основе уникальных свойств аэрогелей в первую очередь лежит их пространственная структура с крошечными открытыми порами. Материал стенок, безусловно, также имеет значение. Например, от него в значительной мере зависят механические свойства, а также электропроводность конкретного аэрогеля.
Но как на практике можно получить такие замысловатые полые «пузырики» с твердыми стенками? Ответ кроется в названии самого материала. Именно гели являются исходным материалом для создания аэрогелей. Те самые гели, влажные и тяжелые, вроде холодца. Всем известный желатин, между прочим, также подходит для создания этого наноматериала. Кстати, а что такое гель? На ощупь мы все хорошо представляем себе эту субстанцию, но что она представляет собой на микроуровне? Оказывается, любой гель состоит из двух компонентов с разными физическими свойствами: твердой фазы в виде непрерывной пористой пространственной структуры, пронизывающей весь образец, и жидкой фазы, заполняющей поры. Причем характерный размер твердой фазы — как раз десятки нанометров, ведь твердая фаза в гелях — это обычно конгломераты наночастиц или длинных макромолекул.
Типичный гель можно себе представить в виде поролоновой губки для мытья посуды, пропитанной жидкостью. Только поры в такой губке в сотни тысяч раз меньше, чем в той, что у нас на кухне. А что получится, если удалить всю жидкость из такой губки? Получится сухая губка с заполненными воздухом порами. Так ведь это и есть аэрогель! Выходит, что для получения этого материала достаточно просто высушить любой гель? К сожалению, нет. Практика показывает, что при испарении жидкой фазы гель начинает быстро уменьшаться в объеме и, в конце концов, мы получим маленький плотный комочек сухого вещества, а не желаемый пористый наноматериал со сверхмалой плотностью. Но почему поролоновая губка высыхает, не уменьшаясь в объеме, а ее гелевый аналог ведет себя совершенно по-другому? И как с этим бороться?
Собственно говоря, коренным отличием нашей модели с губкой от реального геля являются размеры пор: у губки они исчисляются миллиметрами, а у гелей – десятками нанометров, то есть разница составляет примерно пять порядков. Теперь представим себе, как происходит испарение жидкости из пор: в какой-то момент жидкость перестает полностью их заполнять, и появляется граница между жидкостью и парами этой жидкости, смешанными с воздухом. Как известно, на границе жидкости всегда действуют силы поверхностного натяжения, которые приводят к взаимодействию поверхности жидкости и стенок сосуда (в нашем случае стенок пор). Если стенки хорошо смачиваются, то поверхность жидкости приобретает вогнутую форму и на стенки действует сила, тянущая их внутрь сосуда. Величина этой силы, приходящаяся на единицу длины стенки поры вдоль границы жидкости, не зависит от радиуса поры. Но при этом в геле стенки этих пор в тысячи раз тоньше, чем в нашей губке. Получается, что прилагаемая к стенкам удельная сила в геле и в губке одна и та же, а вот толщина этих стенок и, соответственно, их механическая прочность — совсем разные. Не удивительно, что поры губки выдерживают высыхание наполняющей их жидкости, а поры геля — нет. Отсюда и «скукоживание» геля при высыхании — поверхность жидкости в порах просто ломает хрупкие стенки одну за другой по мере испарения, и в результате мы получаем сухой слипшийся комок из изломанных стенок, а не ажурную конструкцию, свойственную аэрогелям.Как высушить гель
Каким образом можно удалить жидкость из хрупких пор геля, не разрушив его структуру? Решение было найдено еще в 1931 году американским ученым Самуэлем Кистлером (Samuel Stephens Kistler). По некоторым сведениям, он поспорил со своим коллегой, что первым сможет провести эту деликатную операцию, и выиграл спор. Идея Кистлера состояла в том, чтобы избавиться от поверхности жидкости и связанных с ней сил натяжения, раз уж именно поверхность и является причиной всех бед. Представим себе, что мы имеем запаянную стеклянную колбу, которая наполовину заполнена жидкостью. Через прозрачные стенки мы будем видеть границу жидкости и газа над ней. Теперь начнем нагревать колбу. Жидкость внутри будет испаряться, что приведет к повышению количества и давления пара над ее поверхностью. А также, естественно, и температуры этого пара. Если продолжать нагревание достаточно долго, то в определенный момент давление и температура внутри колбы достигнут такого уровня, что плотность пара сравняется с плотностью жидкости и граница между ними просто исчезнет. А сам пар и жидкость потеряют знакомые нам характеристики (например, жидкость станет сжимаемой) и превратятся в одно неразделимое целое. Вместе с поверхностью раздела фаз исчезнут и силы поверхностного натяжения. Такие температура и давление, при которых пар перестает отличаться от жидкости, а жидкость от пара, в термодинамике называются критическими и изображаются в качестве критической точки на фазовой диаграмме: 
Так как, по этому сценарию, в процессе превращения жидкости в пар не возникает границы раздела жидкой и газообразной сред, то не возникает и сил поверхностного натяжения внутри пор и они остаются целыми в процессе сушки. Зеленая стрелка обозначает сценарий сушки, когда жидкость превращается в пар обычным порядком. В этом случае мы имеем одновременное существование двух фазовых состояний, границу раздела и, соответственно, разрушение структуры геля. Синяя стрелка показывает, что возможен и третий путь, который называется сублимационной сушкой. По этому сценарию жидкость внутри пор сначала переводится в твердое состояние путем заморозки, а затем, при пониженном давлении, твердая фаза превращается в газообразную, минуя жидкую (и связанные с ней проблемы с поверхностным натяжением). На практике такой вариант действительно позволяет получать некоторые виды аэрогелей.
В реальной жизни прямое использование гелей на водной основе для изготовления аэрогелей очень неудобно из-за высоких критических температуры и давления воды. Поэтому до начала сушки обычно производится замещение первоначальной жидкой составляющей геля на более подходящую в смысле критической точки. Таким заместителем может выступать, например, метиловый спирт (критическая температура — 250 градусов Цельсия, критическое давление — 77 атмосфер). Именно спирты использовал Кистлер для получения аэрогелей со стенками из неорганических соединений. Для органики он рекомендовал сжиженный пропан в качестве жидкой составляющей геля при суперкритической сушке. Также находят применение ацетон и сжиженный углекислый газ. Вообще «рецептов» приготовления аэрогелей существует на настоящий день довольно много. В Интернете даже можно найти рекомендации по его изготовлению в домашних условиях.
В России исследованием аэрогелей занимаются сразу несколько научных центров, в том числе и Центр композитных материалов при НИТУ «МИСиС». Научный сотрудник Центра, кандидат физико-математических наук Федор Сенатов дал следующий комментарий относительно технологических возможностей применения сверхкритического состояния вещества: «Интересной и полезной особенностью вещества в сверхкритическом состоянии (флюид) является то, что с помощью него можно не только формировать пористость в геле, но и модифицировать сам материал, а также удалять из него ненужные примеси. Например, можно растворить в сверхкритическом флюиде лекарственное вещество и обработать этим флюидом полимерный гель. Когда флюид проникнет в гель, то принесет с собой и лекарство, которое останется в полимере после снижения давления и ухода флюида. Таким образом, получится аэроэгель, который можно использовать в медицине для ультрафильтрации биологических жидкостей с одновременным лекарственным действием.
Тем же способом можно удалять ненужные примеси из материала. Данный метод, получивший в литературе название сверхкритическая флюидная экстракция (СФЭ), достаточно давно используется как в лабораторных исследованиях, так и в промышленном производстве. Самым распространенным примером экстракции сверхкритическими флюидами является применение скСО2 для декофеинизации кофе. Более чем сто тысяч тонн декофеинизированного кофе производится в мире ежегодно с применением скСО2».
Из чего делают аэрогели
Что касается твердой составляющей аэрогелей, то используемые материалы можно разделить на несколько классов:
Диоксид кремния (силикагель). Это наиболее известный материал, который знаком нам в виде гранул внутри бумажных пакетиков-осушителей и в кошачьих туалетах. Полученный из него аэрогель почти прозрачен, имеет голубоватый оттенок за счет релеевского рассеяния света на нанопорах, обладает чрезвычайно низкой теплопроводностью, хрупкий, но твердый. 
Карбон (углерод). Карбоновый аэрогель непрозрачен, характеризуется чрезвычайно высокой пористостью с показателем площади полной поверхности к весу 400–1000 квадратных метров на грамм. Проводит электричество, что делает его одним из наиболее популярных материалов для ионисторов с емкостью в тысячи фарад. Кроме того, такой аэрогель поглощает почти 100 процентов излучения в инфракрасном диапазоне, а это очень ценное качество для солнечной энергетики.
Оксиды металлов. Соответствующие аэрогели широко используются для изготовления катализаторов. Обычно в их состав входит оксид алюминия с добавкой никеля. NASA использует алюминиевый аэрогель с добавкой гадолиния и тербия для регистрации космических частиц сверхвысоких энергий. Дело в том, что эти аэрогели флуоресцируют при попадании в них таких частиц, что позволяет их регистрировать. Причем мощность излучения зависит от энергии частицы. Окраска аэрогелей на основе оксида металла варьирует в широких пределах.
Органические полимеры. Например, аэрогель из агар-агара, того самого, который добавляют во фруктовое желе. Другой органический материал — целлюлоза — используется для производства гибких аэрогелей.
Халькогены. К этой группе относятся: сера, селен, теллур и т.д.
Селенид кадмия. Аэрогель, изготовленный из этого материала, обладает полупроводниковыми свойствами.
Более того, свойства аэрогелей можно дополнительно изменять с помощью введения различных модифицирующих добавок в состав твердой фазы.
В настоящее время выделяют основные сегменты промышленности, в которых аэрогели нашли свое применение:
Сергей Петров
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Что такое аэрогель
До открытия аэрогеля Сэмюэль Кистлер занимался изучением обыкновенного кондитерского желе. Действительно, пищевое желе из желатина нельзя назвать ни твёрдым, ни жидким — это некое аморфное промежуточное вещество. Секрет заключается в длинных молекулах желатина, которые создают в водной среде сложную трёхмерную структуру, запирая воду внутри. Структурной единицей является желатиновая ячейка, в которой за счёт поверхностного натяжения удерживается вода. Конструкция получается в высшей степени эластичная (при малейшем движении желе принимается дрожать) и термически нестойкая (уже при +35 0С желатин разрушается, и вода высвобождается.
В начале 1930‑х годов Кистлер выдвинул революционную идею: что, если удалить воду из вещества, оставив нетронутым желатиновый скелет? Учёный провёл серию экспериментов и опубликовал статью «Сплошные пористые аэрогели и желе» в авторитетном научном журнале Nature. Кистлер утверждал, что просто выпарить воду из желеподобных структур, не разрушив внутренний каркас, невозможно, а значит, нужно искать другой путь.
Проблему решили с помощью автоклава, одновременно создающего высокое давление и температуру. Жидкость в таком аппарате не закипает при температурах выше точки кипения, а если разогреть её до критической, содержимое перейдёт в пар, минуя стадию кипения. А ведь именно кипение разрушает внутренний скелет желе! Так Сэмюэль Кистлер открыл способ получения аэрогелей — чрезвычайно лёгких веществ, в которых жидкость полностью заменена газом.
Первые опытные образцы походили на высушенную пену и были очень хрупкими. Тогда в качестве внутреннего скелета решили использовать диоксид кремния — главный компонент стекла. В итоге получился кварцевый аэрогель, самый лёгкий твёрдый материал в мире, на 99,8% состоящий по массе из воздуха.
На тёмном фоне аэрогель кажется голубоватым, а на свету его почти не видно. В этом веществе собственно вещества настолько мало, что свет в нём почти не преломляется. А причиной голубоватого оттенка является так называемое рэлеевское рассеяние. Мы можем наблюдать это явление в солнечный день — достаточно посмотреть на небо. Кванты солнечного света, попадая в земную атмосферу, сталкиваются с молекулами газов и отскакивают от них, то есть рассеиваются. Лучше других подобные «фокусы» проделывают кванты с меньшей длиной волны, отвечающие в солнечной гамме за голубой, поэтому небо над нами окрашено в этот замечательный цвет. Рэлеевское рассеяние очень слабое, и нужны многие километры атмосферной толщи, чтобы наш глаз его зафиксировал, — в школьных помещениях такой эффект заметен не будет. А в аэрогеле небольшой объём воздуха заперт внутри прозрачных стенок скелета с миллиардом крошечных внутренних граней, что резко усиливает рассеяние голубого света.
