Аэрогель что это такое
Аэрогель — Википедия
Блок аэрогеля в руке
Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г 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.
В технике безопасности аэрогелем также называется пыль, осевшая на стенах, потолках, конструктивных частях оборудования и т. д. [1]
Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 %, а как правило, 90—99 % объёма, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м3. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединённых в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.
Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (англ.)русск. из Тихоокеанского колледжа (англ.)русск. в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшим в 1931 году в журнале Nature свои результаты.
Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240 °C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не сжимаясь.
Аэрогели — хорошие теплоизоляторы На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твёрдую пену, похожую на пенопласт. 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 кварцевые аэрогели полупрозрачны. За счёт рэлеевского рассеяния света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем. Сходными оптическими свойствами обладают аэрогели на основе оксидов алюминия (Al2O3), циркония (ZrO 2) и титана (TiO2). Аэрогели из других оксидов металлов могут иметь различный цвет и прозрачность; так, железооксидный аэрогель непрозрачен и имеет цвет, сходный с ржавчиной, ванадиевооксидный аэрогель непрозрачен, оливково-зелёного цвета; хромооксидный аэрогель и имеет тёмно-зелёный или тёмно-синий цвет, а аэрогели на основе оксидов редкоземельных металлов прозрачны (оксид самария жёлтый, оксид неодима фиолетовый, оксиды гольмия и эрбия — розовые)[2]. Углеродные аэрогели имеют глубокий чёрный цвет, поглощая 99,7 % падающего света.
Наиболее распространены кварцевые аэрогели. Их минимальная плотность равна 1 кг/м3 (вакуумированная версия), что в 1000 раз меньше плотности воды и даже в 1,2 раза меньше плотности воздуха (правда, указанная плотность не включает вес воздуха, включенного в структуру, потому аэрогели не плавают в воздухе). Среди твердых тел меньшую плотность имеют лишь металлические микрорешётки (чья плотность может достигать 0,9 кг/м3[3], что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей), аэрографит (чья плотность составляет 0,18 кг/м 3) и аэрографен (англ.)русск. (0,16 кг/м3). Кварцевые аэрогели пропускают свет в мягком ультрафиолете, 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[4]. Благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (~0,017 Вт/(м·К) в воздухе при атмосферном давлении),[5], 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 (аэрографиты) состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом. Они электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторах. За счёт очень большой площади внутренней поверхности (до 800 м2/грамм) углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов (ионисторов) ёмкостью 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 250 до 14 300 нм, 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.
132 ячейки с аэрогелем космического аппарата «Стардаст» (NASA)Помимо многочисленных технических применений, обусловленных вышеперечисленными уникальными свойствами, аэрогель известен прежде всего использованием в проекте «Стардаст» в качестве материала для ловушек космической пыли.
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. Э. Лоуренса, США).
В начале 2006 некоторые компании, например, United Nuclear[6], 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).
В настоящее время на основе аэрогеля изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.
Алисон Аэрогель — Китайский производитель высокоэффективных теплоизоляционных материалов на основе аэрогеля
Что такое аэрогель
1. В изготовлении окон
Гораздо более «приземлённо» аэрогели используют при изготовлении оконного стекла airglass, которое практически не пропускает тепло. А в 2016 году «замороженный дым» поступил в розничную продажу, правда, цены кусаются: кусочек размером с ладонь стоит более 125 долларов. Пока широкое применение аэрогеля сдерживает именно его высокая стоимость.
Этот материал эффективно фильтрует воду за счёт нанопористой структуры, а аэрогели на основе окиси железа с алюминиевыми наночастицами обладают взрывчатыми свойствами.
2. В спорте
Нашлось место «твёрдому газу» и в спортивном инвентаре — в усиливающих элементах теннисных ракеток Dunlop.
3. При пожарах
В США разработан аэрогель под названием FireIce, способный защитить человека и конструкции от мощного теплового потока. Инновационный продукт предполагают использовать в системах пожарной безопасности, а также как конструкционный материал авиационных и ракетных двигателей.
4. В нефтяной отрасли
Перспективно выглядит применение нанопористой структуры аэрогеля для сорбции нефти с поверхности воды и осушения газов.
5. В строительстве
Строители широко используют в качестве утеплителей материалы Pyrogel, Cryogel и Spaceloft, разработанные компанией Aspen Aerogels и содержащие определённый процент частиц аэрогеля.
6. В медицине
Адсорбционную способность аэрогеля заметили медики и предложили использовать его для доставки лекарственных средств в организме человека. Основу из оксида кремния заменили на природный полисахарид альгинат натрия, получаемый из бурых водорослей, — в результате аэрогель стал биосовместимым и впитывает гораздо больший объём лекарств, чем его предшественники.
7. Другие применения
Расширяется не только спектр применения нового материала, но и его состав. На данный момент кроме кварцевого известны аэрогели на основе аморфного кремнезёма (SiO2), углерода (C), кремнезёма с добавками гадолиния (Gd) и тербия (Tb), оксидов цинка (ZnO), хрома (Cr2O3), олова (SnO2), вольфрама (WO3), железа (Fe2O3). Каждый год исследовательские центры по всему миру расширяют этот список.
Увы, но Сэмюэль Кистлер успел увидеть лишь, как постепенно угасает интерес к его детищу; учёного не номинировали на Нобелевскую премию и чуть вообще не забыли о его открытии. Однако последние десятилетия дают надежду на возрождение «замороженного дыма». Как и с другими суперматериалами, осталось решить одну-единственную проблему: снизить стоимость производства. Как только аэрогели станут доступнее, многое в мире изменится в лучшую сторону.
Аэрогель - это... Что такое Аэрогель?
Блок аэрогеля в руке
Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г 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.
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.
Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240 °C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не ужимаясь.
Свойства
Аэрогели — хорошие теплоизоляторы 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 104 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
Помимо многочисленных технических применений, обусловленных вышеперечисленными уникальными свойствами, аэрогель знаменит прежде всего использованием в проекте «Стардаст» в качестве материала для ловушек космической пыли.
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).
См. также
Примечания
Ссылки
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 — Википедия. Что такое Аэрогель
Блок аэрогеля в руке
Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г 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.
Из аэрогеля создают пыль. В технике безопасности её применяют для покрытия стен, потолков, конструктивных частей оборудования и т. д.[1]
Структура
Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 %, а как правило, 90—99 % объёма, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м3. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединённых в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.
История
Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (англ.)русск. из Тихоокеанского колледжа (англ.)русск. в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшим в 1931 году в журнале Nature свои результаты.
Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240 °C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не сжимаясь.
Свойства
Аэрогели — хорошие теплоизоляторы На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твёрдую пену, похожую на пенопласт. 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 кварцевые аэрогели полупрозрачны. За счёт рэлеевского рассеяния света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем. Сходными оптическими свойствами обладают аэрогели на основе оксидов алюминия (Al2O3), циркония (ZrO2) и титана (TiO2). Аэрогели из других оксидов металлов могут иметь различный цвет и прозрачность; так, железооксидный аэрогель непрозрачен и имеет цвет, сходный с ржавчиной, ванадиевооксидный аэрогель непрозрачен, оливково-зелёного цвета; хромооксидный аэрогель и имеет тёмно-зелёный или тёмно-синий цвет, а аэрогели на основе оксидов редкоземельных металлов прозрачны (оксид самария жёлтый, оксид неодима фиолетовый, оксиды гольмия и эрбия — розовые)[2]. Углеродные аэрогели имеют глубокий чёрный цвет, поглощая 99,7 % падающего света.
Виды аэрогелей
Наиболее распространены кварцевые аэрогели. Их минимальная плотность равна 1 кг/м3 (вакуумированная версия), что в 1000 раз меньше плотности воды и даже в 1,2 раза меньше плотности воздуха (правда, указанная плотность не включает вес воздуха, включенного в структуру, потому аэрогели не плавают в воздухе). Среди твердых тел меньшую плотность имеют лишь металлические микрорешётки (чья плотность может достигать 0,9 кг/м3[3], что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей), аэрографит (чья плотность составляет 0,18 кг/м3) и аэрографен (англ.)русск. (0,16 кг/м3). Кварцевые аэрогели пропускают свет в мягком ультрафиолете, 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[4]. Благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (~0,017 Вт/(м·К) в воздухе при атмосферном давлении),[5], 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 (аэрографиты) состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом. Они электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторах. За счёт очень большой площади внутренней поверхности (до 800 м2/грамм) углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов (ионисторов) ёмкостью в тысячи фарад. В настоящее время достигнуты показатели в 104 Ф/грамм и 77 Ф/см3. Углеродные аэрогели отражают всего 0,3 % излучения в диапазоне длин волн от 250 до 14 300 нм, 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
132 ячейки с аэрогелем космического аппарата «Стардаст» (NASA)Помимо многочисленных технических применений, обусловленных вышеперечисленными уникальными свойствами, аэрогель известен прежде всего использованием в проекте «Стардаст» в качестве материала для ловушек космической пыли.
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. Э. Лоуренса, США).
В начале 2006 некоторые компании, например, United Nuclear[6], 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).
В настоящее время на основе аэрогеля изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.
См. также
Примечания
Ссылки
Что такое аэрогель | | Научно-популярный портал "Нечто"
просмотров: 3 373Вконтакте
Одноклассники
Аэрогель – весьма необычное творение человеческих рук, материал, удостоенный за свои уникальные качества 15 позициями в книге рекордов Гиннеса. Название «аэрогель» произошло от двух латинских слов aer — воздух и gelatus — замороженный. Поэтому аэрогель часто называют «замороженным дымом».
Впрочем, по внешнему виду аэрогель действительно напоминает застывший дым. Аэрогель представляет собой необычный гель, в котором отсутствует жидкая фаза, полностью замещенная газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т.д. Аэрогель удивителен еще и тем, что на 99.8% состоит из… воздуха!
получил американский учёный Сэмюэль Кистлер в конце двадцатых или в тридцатом году прошлого века в Тихоокеанском колледже в Стоктоне (штат Калифорния). Получил, как это порой бывает, в научных изысканиях, почти случайно, в качестве побочного продукта кристаллизации аминокислот в суперкритических супернасыщенных жидкостях. Ученый добился получения аэрогеля, заменяя жидкость в обычном геле метанолом. После этого гель нагревался под высоким давлением до 240 градусов (критическая температура для метанола). В этот момент газообразный метанол уходил из геля, но обезвоженная пена не уменьшалась в объеме. В итоге образовывался легкий мелкопористый материал, названный в последствие аэрогелем. Официальной датой появления нового материала считается 1931 год, время опубликования статьи о нем в журнале Nature. Неизвестно и происхождение термина «аэрогель». Остается загадкой, сам ли Кистлер ввел его в нашу речь, или воспользовался подсказкой своих коллег. Первый аэрогель был получен ученым из кварца. Впоследствии этот материал научились изготавливать из оксидов металлов, органических веществ, и многих других исходных ингредиентов.
По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в однородные группы (кластеры) частиц размером 2-5 нанометров и пор, заполненных воздухом, размерами до 100 нанометров. Внешне аэрогель больше всего похож на прозрачную или полупрозрачную застывшую мыльную пену. При взгляде невооруженным глазом, аэрогель представляется сплошным однородным веществом, что выгодно отличает его от таких пористых сред как различные пены. На ощупь аэрогель также напоминает застывшую пену. Это достаточно прочный материал – аэрогель способен выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. Например, небольшой блок аэрогеля весом 2.38 г. легко противостоит массе кирпича в 2.5 кг!
Кварцевые аэрогели являются очень хорошим теплоизолятором. Процесс производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических реакций, гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и на выходе получается желеобразный продукт. Затем спиртом из желе удаляется вода. Полное ее удаление – залог успешности всего процесса. Следующий шаг — "суперкритическое" высыхание. Оно производится в автоклаве при высоком давлении и температуре, в процессе участвует сжиженный углекислый газ.Прикладное использование кварцевого аэрогеля, как материала для изоляции, началось в сороковых годах двадцатого века. Известная компания Monsanto выпускала этот продукт по лицензионному соглашению с Кистлером. Однако широкого распространения в силу дороговизны аэрогелевые теплоизоляторы не получили, и в семидесятых годах производство было свернуто. Лишь в самом конце прошлого века аэрогели вновь начали широко использоваться человечеством, прежде всего в космической отрасли.Именно аэрогель стал важнейшим элементом решетчатого улавливателя, при помощи которого космический зонд Stardust захватил миллионы крошечных частиц из хвоста кометы Wild 2 и доставил спускаемый аппарат с этими образцами на землю. Кстати сказать, среди многообразия уловленных зондом частиц были обнаружены следы глицина – важнейшей для образования белка аминокислоты. Ученым, разделяющим теорию о внеземном происхождении жизни, эта находка стала косвенным доказательством их правоты.
В качестве уникального теплоизолятора аэрогель планируется использовать в космических скафандрах американского производства, создаваемых для марсианского проекта НАСА. Так же НАСА анонсировало применение аэрогеля в качестве теплового щита новых моделей шаттла. Перспективны также аэрогели в микроэлектронике. Главным образом, благодаря тому, что они обладают самыми низкими диэлектрическими константами. Использование аэрогелей в качестве изоляционных слоев в многослойных печатных платах позволит значительно повысить быстродействие электроники.В 2007 году американские химики презентовали созданные ими аэрогели, которые могут служить фильтром для очистки воды от вредных примесей, таких как ртуть, свинец и другие ядовитые тяжелые металлы. Пока производство этих материалов достаточно ограничено из-за высокой цены, т.к. в состав фильтров входит платина, но когда ей будет найдена замена в виде более дешевого аналога, очистителями нового образца можно будет избавить от тяжелых металлов водоемы планеты. Кроме этого новые аэрогели проявляют свойства полупроводников, следовательно, могут использоваться в фотоэлементах и других оптоэлектронных устройствах.
Кварцевый аэрогель, как уже говорилось, – уникальный теплоизолятор. Он выдерживает температуру до 500 градусов по Цельсию, а слоя толщиной 2,5см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от прямого воздействия паяльной лампы. Существуют разновидности аэрогелей с температурой плавления до 1200 С. Свойства арогелей в немалой степени зависят от исходного материала, из которого их производят. Существуют аэрогели из глиноземов (с добавкой оксида алюминия), диоксида кремния, а также оксида олова и хрома. Совсем недавно были получены аэрогели на основе углерода. Есть аэрогели, применяющиеся в качестве катализаторов. В настоящее врмя в НАСА идут испытания алюмооксидных аэрогелей, содержащих редкие элементы — гадолиний и тербий. Эти аэрогели используются как детекторы высокоскоростных соударений.Некоторые прозрачные разновидности аэрогеля рассматриваются учеными в качестве замены оконному стеклу. Ведь коэффициент преломления у аэрогелей гораздо ниже, чем у стекла (1,05 против 1,5). Изначальную хрупкость этого перспективного материала науке уже удалось преодолеть, сейчас доступен выпуск упругих и гибких аэрогелей. На повестке дня вопрос о снижении себестоимости производства до пределов, делающих использование в широких масштабах рентабельным. Аэрогели часто называют материалом 21 века. Так ли это, мы скоро увидим.
Статьи на тему:
Вконтакте
Одноклассники
Аэрогель — лекции на ПостНауке
Уникальная структура силикааэрогеля, а именно высокая пористость структуры, в которой 98% занимает воздух и только оставшееся количество занимает сам материал, приводит к тому, что такой материал обладает низкой теплопроводностью — ниже, чем просто воздух, не заключенный в аэрогель, вследствие эффекта Кнудсена, когда поры материала оказываются меньше, чем длина свободного пробега молекул газа, который в нем заключен.
Эти уникальные свойства аэрогелей сразу стали понятны. Материал был запатентован, и довольно быстро началось производство первых аэрогелей, которые использовали как добавки в косметику. Затем началось производство аэрогелей как термоизоляционных материалов. В настоящее время абсолютное большинство работ, посвященных аэрогелям, имеет прикладной характер. Исследователи хорошо понимают, для какого конечного продукта может быть применен материал: сейчас работают как над силикааэрогелями, так и над аэрогелями на основе биополимеров, полимеров, а также над углеродными аэрогелями, которые получаются пиролизом полимерных аэрогелей.
Существует несколько проблем с промышленным использованием аэрогелей. Первая заключается в том, что процесс их получения чрезвычайно сложный, трудоемкий и поэтому дорогостоящий. Вначале мы должны провести процесс получения самого полимерного геля или кремнийорганического геля в жидком растворителе. После чего мы должны провести процесс сверхкритической сушки. Зачастую в качестве среды для сверхкритической сушки используют сверхкритический диоксид углерода, поскольку он негорючий, нетоксичный, относительно дешевый и с легкодостижимыми в лабораториях критическими параметрами. Так, критическая точка CO2 — 31 °C и 74 атмосферы.
Однако при получении самого геля зачастую используются растворители на водной основе, которые с диоксидом углерода не смешиваются, поэтому между получением геля и сверхкритической сушкой необходимо еще провести процесс замены растворителя на растворитель, который хорошо смешивается с диоксидом углерода. В самом простом случае растворитель на водной основе, в котором получен гель, потом заменяется спиртом, например метанолом. Как мы знаем, спирт с водой смешивается хорошо. С другой стороны, спирт хорошо смешивается и с CO2. Этот процесс замены растворителя позволяет нам успешно проводить процесс сверхкритической сушки.
Второй большой проблемой является то, что получаемые классические силикааэрогели, у которых низкая плотность, низкая теплопроводность и довольно большая прочность, очень хрупкие на излом и чрезвычайно гидрофильные при воздействии с влагой. Исследования, которые сейчас ведутся, направлены на то, чтобы предложить новые процессы удаления жидкого растворителя из геля. Это может быть сушка при нормальных условиях, когда мы не используем сверхкритический диоксид углерода, а заменяем растворитель в геле на растворители с более низкой поверхностной энергией, чтобы уменьшить негативные эффекты от капиллярных сил. Либо это лиофильная сушка, когда мы сначала замораживаем, а потом производим возгонку этого замороженного растворителя для тех же целей.
Большое число исследований, над которыми мы работаем, посвящено процессам получения трехмерной структуры геля непосредственно в сверхкритическом диоксиде углерода, чтобы исключить процессы замены растворителей и сверхкритической сушки, чтобы достаточно было сбросить давление сверхкритической среды и получить готовый материал. Для этого необходимо использовать прекурсоры, растворимые в сверхкритическом диоксиде углерода, предлагать процессы взаимодействия этих прекурсоров с образованием трехмерной полимерной сетки. Занимаемся мы этим в Институте элементоорганических соединений имени Несмеянова и в Московском государственном университете на физическом факультете, на кафедре физики полимеров и кристаллов. Мы занимаемся как аэрогелями на основе кремния, которые близки к классическим и наиболее хорошо представленным сейчас на рынке аэрогелям, так и аэрогелями на основе оксидов металлов.
Аэрогель потрясающий наноматериал
Аэрогель – одно из самых удивительных изобретений человечества. Это очень легкий пористый материал, который за свои свойства многократно упоминается в книге рекордов Гиннеса. В переводе «аэрогель» означает «замороженный воздух» еще нередко его называют – «замороженный дым».
Аэрогель и вправду выглядит как застывший дым – полупрозрачный, пористый, порой с легким голубым оттенком. На ощупь аэрогель похож на затвердевшую пену для бритья либо пенопласт. Структура аэрогеля – крохотные ячейки, которые сложно различить даже под микроскопом. Если не вдаваться в технологию, то аэрогель представляет собой обычный гель, где вместо жидкого компонента применен газ. У этого материала рекордно низкая плотность – в тысячу раз меньше чем у стекла и в полтора раза выше чем у воздуха, сегодня аэрогель считается самым легким твердым материалом существующим на планете.
Еще одно из уникальных свойств этого материала – он на 99,8% состоит из воздуха, при этом он очень прочный. По результатам испытаний было доказано, что образцы аэрогеля могут выдерживать нагрузку в две тысячи раз больше чем собственный вес. Плюс к этому материал хороший теплоизолятор, он в сорок раз эффективнее изоляционного стеклопластика, это позволяет использовать его для теплоизоляции в космонавтике.
Класс гелей, в которых в ходе специального технологического процесса жидкая фаза полностью замещается газообразной, в результате чего получается вещество с плотностью, всего в полтора раза превышающей плотность воздуха. Рекордно низкая плотность среди искусственно созданных материалов, как впрочем, и целый ряд (15 позиций) других свойств и характеристик аэрогеля.
Уникальные свойства аэрогеля
Наиболее распространенные сегодня кварцевые аэрогели – прекрасные теплоизоляторы, что, в общем-то, и определило самую широкую область их применения: в промышленности и строительстве.
Напоминает аэрогель (на ощупь) твердую пену, нечто наподобие пенопласта, однако очень легкую и прочную. Под воздействием очень сильной нагрузки аэрогель может трескаться, хотя его прочности достаточно, чтобы выдерживать нагрузки в 2000 раз превышающие его собственный вес.
Теплопроводность кварцевых аэрогелей при нормальном атмосферном давлении в воздухе даже ниже самого воздуха и составляет около 0, 017 Вт/(м•К). Они с успехом выдерживают нагрев до 500°С, практически не изменяя своих свойств. Плавиться аэрогель начинает при температуре 1200°С.
Применение аэрогеля
Целая совокупность уникальных свойств аэрогеля позволила широко применять его в качестве эффективного утеплительного материала, превосходящего по своим возможностям и экономическому эффекту любой современный утеплитель.
Ему нашлось место во всех случаях, когда необходима высокая степень теплозащиты или теплоудержания:
- теплоизоляция всех строительных конструкций, как в промышленном, так и в гражданском (и частном) жилом строительстве
- высокоэффективная теплозащита любых (и технологических, и бытовых) трубопроводов, обеспечивающих производственный процесс и экономную работу трубопроводов инженерных систем жизнеобеспечения
- не менее эффективную теплоизоляцию резервуаров, емкостей промышленного и бытового назначения, в том числе технологических, со сложными условиями эксплуатации и неправильными геометрическими формами
- Наряду с теплозащитой осуществляет идеальную влагоизоляцию объектов, что в совокупности с его паропроницаемостью позволяет обеспечить надежную защиту объектов и коммуникаций от коррозии и разрушающего воздействия внешней среды, в том числе – агрессивной среды промышленного производства
Аэрогель — Википедия. Что такое Аэрогель
Блок аэрогеля в руке Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г 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.
Из аэрогеля создают пыль. В технике безопасности её применяют для покрытия стен, потолков, конструктивных частей оборудования и т. д.[1]
Структура
Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 %, а как правило, 90—99 % объёма, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м3. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединённых в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.
История
Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (англ.)русск. из Тихоокеанского колледжа (англ.)русск. в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшим в 1931 году в журнале Nature свои результаты.
Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240 °C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не сжимаясь.
Свойства
Аэрогели — хорошие теплоизоляторы На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твёрдую пену, похожую на пенопласт. 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 кварцевые аэрогели полупрозрачны. За счёт рэлеевского рассеяния света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем. Сходными оптическими свойствами обладают аэрогели на основе оксидов алюминия (Al2O3), циркония (ZrO2) и титана (TiO2). Аэрогели из других оксидов металлов могут иметь различный цвет и прозрачность; так, железооксидный аэрогель непрозрачен и имеет цвет, сходный с ржавчиной, ванадиевооксидный аэрогель непрозрачен, оливково-зелёного цвета; хромооксидный аэрогель и имеет тёмно-зелёный или тёмно-синий цвет, а аэрогели на основе оксидов редкоземельных металлов прозрачны (оксид самария жёлтый, оксид неодима фиолетовый, оксиды гольмия и эрбия — розовые)[2]. Углеродные аэрогели имеют глубокий чёрный цвет, поглощая 99,7 % падающего света.
Виды аэрогелей
Наиболее распространены кварцевые аэрогели. Их минимальная плотность равна 1 кг/м3 (вакуумированная версия), что в 1000 раз меньше плотности воды и даже в 1,2 раза меньше плотности воздуха (правда, указанная плотность не включает вес воздуха, включенного в структуру, потому аэрогели не плавают в воздухе). Среди твердых тел меньшую плотность имеют лишь металлические микрорешётки (чья плотность может достигать 0,9 кг/м3[3], что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей), аэрографит (чья плотность составляет 0,18 кг/м3) и аэрографен (англ.)русск. (0,16 кг/м3). Кварцевые аэрогели пропускают свет в мягком ультрафиолете, 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[4]. Благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (~0,017 Вт/(м·К) в воздухе при атмосферном давлении),[5], 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 (аэрографиты) состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом. Они электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторах. За счёт очень большой площади внутренней поверхности (до 800 м2/грамм) углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов (ионисторов) ёмкостью в тысячи фарад. В настоящее время достигнуты показатели в 104 Ф/грамм и 77 Ф/см3. Углеродные аэрогели отражают всего 0,3 % излучения в диапазоне длин волн от 250 до 14 300 нм, 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
132 ячейки с аэрогелем космического аппарата «Стардаст» (NASA)Помимо многочисленных технических применений, обусловленных вышеперечисленными уникальными свойствами, аэрогель известен прежде всего использованием в проекте «Стардаст» в качестве материала для ловушек космической пыли.
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. Э. Лоуренса, США).
В начале 2006 некоторые компании, например, United Nuclear[6], 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).
В настоящее время на основе аэрогеля изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.
См. также
Примечания
Ссылки
Как работает аэрогель?: my19edwin — LiveJournal
.
Открытый меньше столетия назад, этот класс материалов позволил человечеству совершить прорыв в области физики и астрономии, создании сложного научного оборудования и суперсовременных средств для борьбы с экологическими катастрофами. При этом для широкого круга обывателей этот «герой» остаётся неизвестным, что уже само по себе несправедливо. Не пора ли познакомиться поближе с уникальным творением учёных, способным выдерживать колоссальные нагрузки и при этом запросто «парящим» на кончиках цветочных лепестков?
Немного истории
Аэрогели (от лат. «aer» - воздух, и «gelatus» - замороженный) – это гелеобразные вещества, в которых жидкость полностью замещена её газообразным аналогом. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью: в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха. Они также демонстрируют ряд уникальных свойств: высокая твёрдость и упругость, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность, гигроскопичность и т. д.
По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм и пор размерами до 100 нм. Проще говоря, речь идёт о чрезвычайно лёгкой, но твёрдой пене (что-то вроде поролона). Правда, фрагмент подобного вещества, лежащий на вашей ладони, вы сможете обнаружить скорее с помощью зрения, чем благодаря осязанию – это всё равно, что прикосновение крыла бабочки. Впрочем, эта структура только кажется хрупкой, а на самом деле после сжатия структура отлично восстанавливает свою первоначальную форму. Опираясь на цифры, можно утверждать, что образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса.
Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне (Калифорния). В 1931 году учёный опубликовал результаты своих исследований в журнале «Nature», и более 80 лет новинка оставалась самым лёгким материалом в мире. Аэрогель был также известен как «замороженный дым», поскольку по внешнему виду это вещество полупрозрачно и имеет значительно более меньшую степень преломления света, чем стекло. И только в начале 1990-х были созданы ещё более «невесомые» виды аэрогеля, которым сразу же нашлось достойное применение.
Как используют аэрогели?
Сегодня наибольшее распространение получили аэрогели на основе аморфного диоксида кремния (силикона), кварца, углерода, глинозёмов, а также оксидов железа, хрома и олова. К примеру, кварцевые аэрогели известны как превосходные теплоизоляторы (их температура плавления составляет 1200 °C). В настоящее время на их основе изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.
Углеродные аэрогели электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторах. За счёт очень большой площади внутренней поверхности (до 800 м²/грамм) углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов (ионисторов). Применяются эти устройства для основного и резервного питания в фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и автоматических коммунальных счётчиках — везде, где требуется быстро зарядить устройство. Они так же являются источником питания для «альтернативного» транспорта – экологически чистых автомобилей и автобусов.
Графеновый аэрогель был создан группой учёных из университета Чжэцзяна (Zhejiang University). Его плотность ниже чем плотность газообразного гелия и немного выше плотности газообразного водорода. Каждый грамм такого вещества может забрать на себя 900 граммов органического соединения, при этом он будет поглощать загрязняющие окружающую среду продукты с хорошей скоростью − до 68,8 граммов органики в секунду. По мнению учёных, это позволит использовать аэрогель для очистки океанов от нефтяных пятен, а также повсеместно использовать его в качестве газовых и жидкостных фильтров.
Глинозёмные аэрогели из оксида алюминия с добавками других металлов (гадолиний, тербий и до.) используются в качестве катализаторов. Именно так в НАСА был разработан детектор высокоскоростных соударений: в месте столкновения частицы с поверхностью происходит флюоресценция, интенсивность которой зависит от скорости соударения. Такие детекторы нужны для экспериментов практически на любых коллайдерах, в которых частицы сталкиваются и порождают огромное количество других частиц (тех самых, которые образовались в результате Большого взрыва). А вот аэрогель на основе оксида железа с алюминиевыми наночастицами может служить в качестве взрывчатки (разработка Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, США).
Освоение космоса
Помимо многочисленных технических применений, аэрогель знаменит прежде всего использованием в проекте «Стардаст» («Звёздная пыль») в качестве материала для ловушек космической пыли. Речь идёь об одноимённом космическом аппарате NASA, предназначенном для исследования кометы «Вильда 2». В 1974 году это небесное тело прошло вблизи Юпитера, чьё мощное гравитационное поле изменило орбиту кометы - и перенесло её во внутреннюю часть Солнечной системы. Учёным трудно было проигнорировать «гостью»: период обращения кометы вокруг солнца сократился с 40 лет до 6 лет!
Реализация проекта по исследованию кометы была начата в 1995 году в рамках программы NASA «Discovery». 132 ячейки возвращаемой капсулы аппарата «Стардаст» были заполнены силиконовым аэрогелем, который должен был затормозить летящие на чрезвычайно высокой скорости частицы кометного вещества без их перегрева, позволяя предотвратить разрушение даже органических молекул, если они окажутся на этих частицах. Станция была запущена в открытый космос7 февраля 1999 года, а 15 января 2006 года капсула с образцами кометной пыли с успехом вернулась на Землю.
«Стардаст» сумел захватить порядка 30 крупных и мелких частиц кометного вещества, среди которых были обнаружены такие химические элементы как магний, алюминий, хром, никель, марганец, медь, галлий. Неожиданным открытием стал изотоп железа 60Fe - достаточно «молодое» вещество, обладающее довольно малым периодом полураспада, что меняет многие представления о формировании Солнечной системы. В составе образцов пыли кометы учёные так же нашли аминокислоту глицин (так называемый «космический сахар») и большое количество изотопа углерода 13С, которого мало на Земле.
Источник
Как создать аэрогель: новосибирские эксперименты
Высокотехнологичные материалы, которые производят ученые новосибирского Академгородка, можно использовать не только в космических опытах или экспериментах на встречных пучках, но также в стеклопакетах и при теплоизоляции зданий.
Материал портала «Наука в Сибири».
Аэрогели — это особые структуры, в которых жидкая фаза полностью замещена газообразной. Они обладают целым рядом уникальных свойств: твёрдостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и так далее.
Как же производят аэрогель? Его синтез состоит из нескольких стадий. Сначала необходимо смешать раствор, содержащий соединения кремния, с катализатором и водой. После протекания химической реакции в нем появляются очень маленькие, размером в несколько нанометров, нерастворимые частицы кремнезема. Когда их становится много, они начинают слипаться в длинные цепочки, которые затем переплетаются, и масса становится неподвижной. Далее получившееся вещество затвердевает: образуется гель, по виду напоминающий студень. Из-за того, что структура твердой фазы этой субстанции очень нежная, ее приходится сушить в особых, сверхкритических условиях. Искусство состоит в том, чтобы блоки материала получились целыми и прозрачными. При всех полезных свойствах они довольно хрупкие — их легко сломать руками.
Научные исследования по разработке технологии синтеза аэрогеля в СССР начались в новосибирском Академгородке тридцать лет назад. Работы инициировал сотрудник Института ядерной физики СО АН СССР доктор физико-математических наук Алексей Павлович Онучин, известный ученый, специалист в области экспериментов на встречных пучках. Для этих опытов физики традиционно используют черенковские счетчики, которые детектируют излучение Вавилова-Черенкова. Его вспышку вызывает заряженная частица, движущаяся в определенной среде, и лучше всего для регистрации фотонов по своим свойствам подходит именно аэрогель.
Ученые ИЯФ обратились к своим коллегам из Института катализа СО АН СССР, где с подачи доктора химических наук Юрия Ермакова началось производство инновационного материала. Сейчас можно с уверенностью сказать, что те исследования на годы опередили современный тренд на работы в этой области нанотехнологий, а западные коллеги сумели повторить достижения новосибирских специалистов только в конце 1990-х.
Изначально аэрогель применяли в детекторе элементарных частиц КЕДР, который работает на установке ВЭПП-4М Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Ученым Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН пришлось изготовить 2000 литров этого материала.
Специалисты утверждают, что новосибирский аэрогель по ряду параметров является лучшим в мире и превосходит зарубежные аналоги — например, японского производства. Сейчас ИК СО РАН и ИЯФ СО РАН активно сотрудничают с Национальной лабораторией Томаса Джефферсона (США) — блоки материала изготавливаются для американских специалистов, изучающих свойства адронов. Ранее новосибирский продукт использовался для экспериментов, которые проводит ЦЕРН, а сейчас применяется в универсальном детекторе AMS02 на Международной космической станции — прибор регистрирует потоки протонов, антипротонов и ядер.
Наталья Купина Лаборант ИЯФ СО РАН Александр Тарков (слева) и старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Евгений Кравченко (справа)
— Аэрогель уже применялся в космических экспериментах для ловли микрометеоритов и космической пыли — эти опыты проводились на станции «Мир» и американских «Шаттлах», — отмечает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Анатольевич Кравченко. — В рамках проекта Stardust специальный аппарат захватывал вещество, находящееся в хвосте кометы Вильда-2, в блоки аэрогеля, поскольку именно этот материал способен затормозить летящие на чрезвычайно высокой скорости частицы без их перегрева и без разрушения даже органических молекул.
В дальнейшем аэрогель предполагается использовать для регистрации элементарных частиц в будущем коллайдере ИЯФ СО РАН — Супер Чарм-Тау фабрике. Впрочем, фундаментальная наука — не единственная сфера приложения этого материала. Среди твердых веществ он является лучшим по теплоизолирующим свойствам — в частности, его эффективность на 50 процентов выше, чем у пенопласта.
— Если внутрь теплоизолирующей панели, где между стенок находится вакуум, добавить аэрогель, то ее свойства значительно улучшатся, — отмечает старший научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН кандидат химических наук Александр Федорович Данилюк.
Еще одно интересное свойство материала — способность пропускать видимый свет, задерживать инфракрасное излучение и аккумулировать тепло. Прозрачные панели из аэрогеля можно помещать внутрь стеклопакета: это позволит даже в Сибири строить дома с окнами во всю стену и не бояться, что внутри будет холодно.
Как отмечают ученые, пока это очень дорогой метод, но технологически к его применению в строительстве нет никаких препятствий, и внедрение можно ожидать уже в ближайшие десятилетия. Сейчас на западе началось промышленное применение аэрогелевой крошки, которую используют для теплоизоляции в стеклопакетах.
По словам Евгения Анатольевича Кравченко, аэрогель достаточно эффективен и как звукоизолятор — это можно применять при строительстве пассажирских самолетов, чтобы максимально снизить шум от двигателей в салоне.
Павел Красин
