Что такое аэрогель кратко

Обновлено: 05.07.2024

Зачем был придуман аэрогель? Как его делают? Почему это вещество является настолько хорошим теплоизолятором? Где же он используется?

Аэрогель является самым легким, следовательно обладающим наименьшей плотностью, твердым веществом. Брусок аэрогеля всего лишь в несколько раз тяжелее того же объема воздуха. И на это имеется веская причина, ведь аэрогель на 99.8% состоит из воздуха. Некоторые разновидности аэрогеля настолько легки, что если извлечь из них весь газ, их плотность будет меньше, чем у воздуха.

Изобретение и создание аэрогеля

В 1931 году человек, который был известен как профессор Стивен Кистлер, заключил пари со своим коллегой Чарльзом Лерндом. Пари разворачивалось вокруг желе.

Желе по своей сути является комбинацией жидкого и твердого. В том смысле, что оно по большей части является жидкостью, которая встроена в твердую трехмерную структуру.

Таким образом гель, как например желе, обладает неким скелетом с нанопорами, которые и придают веществу твердость. И этот скелет составляет примерно 1% от всего геля.

Суть пари заключалась в следующем: возможно ли извлечь всю жидкость из геля не повлияв при этом на твердую структуру? Если просто выпарить всю жидкость из геля, то его остаточная часть просто сожмется.

Стивен Кистлер решил эту проблему двумя способами. Во-первых, он смог выяснить, что в геле можно заменить одну жидкость другой при помощи тщательной промывки. Таким способом можно легко заменить воду в желе, например, на алкоголь. И затем, если вы поместите гель в камеру с высоким давлением, которая называется автоклав, и достичь в ней критически высокой температуры и давления, то жидкость перейдет в среднее состояние между жидкостью и газом, называемое сверхкритическая жидкость.

А как только вы сбросите давление в сосуде, твердый скелет, составляющий 1% от общей массы геля, останется неповрежденным, а на место жидкости в порах придет газ. Такое твердое вещество и получило название аэрогель. Кистлер опубликовал свое открытие в журнале Nature в 1931 году. Впоследствии ученый начал делать аэрогель из всего, чего только мог придумать. Он делал аэрогель из яиц, резины, нитроцеллюлозы.

Свойства

Помимо всего прочего, аэрогель обладает удивительными физическими свойствами. Если поместить аэрогель на белый фон, то его практически не будет видно. Однако на темном фоне аэрогель становится светло-голубым.

Свойства аэрогелей


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

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.

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.

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?

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:


Аэроге́ли (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Содержание

Структура

Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 % объёма. Как правило, этот процент достигает 90—99, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м³. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.

История

Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшего в 1931 году в журнале Nature свои результаты.

Свойства



На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. Аэрогели, в особенности кварцевые — хорошие теплоизоляторы. Они также очень гигроскопичны.

По внешнему виду аэрогели полупрозрачны. За счёт релеевского рассеяния света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем.

Виды аэрогелей

Наиболее распространены кварцевые аэрогели, по плотности среди твердых тел они уступают лишь металлическим микрорешёткам чья плотность может достигать — 0,9 кг/м³, что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей — 1 кг/м³. В воздушной среде при нормальных условиях плотность такой металлической микрорешётки равна 1,9 кг/м³ за счёт внутрирешёточного воздуха. Это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха. Кварцевые аэрогели пропускают свет в мягком ультрафиолете и видимой области (с длиной волны больше 300 нм) и инфракрасном диапазоне, однако в инфракрасной области присутствуют типичные для кварца, получаемого обезвоживанием силикагелей, полосы гидроксила при 3500 см −1 и 1600 см −1 [1] . Благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (~0,017 Вт/(м·К) в воздухе при атмосферном давлении), [2] , меньшей, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м·К)), они применяются в строительстве в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов. Температура плавления кварцевого аэрогеля составляет 1200 °C.

Углеродные аэрогели состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом. Они электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторах. За счет очень большой площади внутренней поверхности (до 800 м²/грамм) углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов (ионисторов) емкостью в тысячи фарад. В настоящее время достигнуты показатели в 10 4 Ф/грамм и 77 Ф/см³. Углеродные аэрогели отражают всего 0,3 % излучения в диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм, что делает их эффективными поглотителями солнечного света.

Глинозёмные аэрогели из оксида алюминия с добавками других металлов используются в качестве катализаторов. На базе алюмооксидных аэрогелей с добавками гадолиния и тербия в НАСА был разработан детектор высокоскоростных соударений: в месте столкновения частицы с поверхностью происходит флюоресценция, интенсивность которой зависит от скорости соударения.

Использование



Поскольку показатель преломления аэрогелей занимает промежуточное положение между показателями преломления газообразных и жидких (твёрдых) веществ, аэрогель используется как радиатор в черенковских детекторах заряженных частиц.

Аэрогели могут использоваться в качестве газовых и жидкостных фильтров.

Аэрогель на основе оксида железа с алюминиевыми наночастицами может служить взрывчаткой (разработка Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, США).

В начале 2006 некоторые компании, например, United Nuclear [3] , заявили о начале продаж аэрогеля организациям и частным лицам. В зависимости от размера и формы образца, цена составляет от $25 (фрагменты) до $125 (кусочек, помещающийся на ладони).

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №5(33). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

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.


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.


Цветок на пластине аэрогеля и газовая горелка



7 февраля 1999 года эта сетка из алюминиевых ячеек, заполненных аэрогелем, была запущена на космическом корабле миссии Stardust. Одной из задач миссии был сбор кометной пыли с последующей доставкой её на Землю.

Вспомнили о чудо-материале спе­циалисты NASA, когда им понадобился чрезвычайно лёгкий теплоизолятор для работы в экстремальных условиях. В этом качестве аэрогель отправился в 1997 году к Красной планете в составе аппарата Mars Pathfinder. Со временем аэрогель стал частым гостем в космосе (в частности, он использовался в конструкции роверов Spirit и Opportunity, а также многоразовых кораблей Space Shuttle), и ему нашли новое, очень не­обычное применение.

Читайте также: