Аэрогель

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.

Блок аэрогеля в руке

Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г

Структура

Аэрогели относятся к классу (мезопористых материалов), в которых полости занимают не менее 50 %, а как правило, 95—99,8 % 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 ^[англ.] из ^[англ.] 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 со ржавчиной, ванадиевооксидный аэрогель непрозрачен, оливково-зелёного цвета; хромооксидный аэрогель 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). 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, что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей), (аэрографит) (чья плотность составляет 0,18 кг/м³) и ^[англ.] (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. Благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (~0,017 Вт/(м·К) в воздухе при атмосферном давлении),, 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

136 ячеек 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, , 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.

Производители

• (Институт катализа имени Г. К. Борескова СО РАН) — российский исследовательский институт, изготавливающий аэрогели, которые используются в научных экспериментах; в том числе многослойный аэрогель для измерения скорости элементарных частиц.
• Matsushita — японский производитель аэрогелей.

См. также

• (Пенометалл) — 50 кг/м³
• (Металлическая микрорешётка) — 0,9 кг/м³
• (Аэрографит) — 0,2 кг/м³
• Воздух — 1,2754 кг/м³

Примечания

1. Metal Oxide Aerogels  (неопр.). Aerogel.org. Дата обращения: 28 августа 2017. 12 августа 2013 года.
2. Однако в воздушной среде при нормальных условиях плотность таких металлических микрорешёток равна 1,9 кг/м³ за счёт внутрирешёточного воздуха.
3.   (неопр.). Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано из оригинала 15 мая 2009 года.
4. Thermal properties of Silica aerogels // Enviromental Technology Division of E.O. Lawrence Berkeley National Laboratory 5 июля 2008 года.
5. Официальный сайт United Nuclear  (неопр.). Дата обращения: 4 сентября 2010. 29 мая 2013 года.
6. Aerogel sees the light for LHCb detector. CERN Courier.  (неопр.) Дата обращения: 16 декабря 2022. 16 декабря 2022 года.
7. Сибирские ученые создали аэрогель для детекторов элементарных частиц. РИА Новости.  (неопр.) Дата обращения: 16 декабря 2022. 16 декабря 2022 года.
8. Материал для поиска новых элементарных частиц и солнечной энергетики разработали новосибирские ученые. Интерфакс.  (неопр.) Дата обращения: 16 декабря 2022. 16 декабря 2022 года.

Ссылки

• Часто задаваемые вопросы об аэрогеле (проект «Стардаст») (англ.)
•  (англ.)
• Научный блог, посвящённый аэрогелю и всему, что с ним связано (англ.)
• Теплопроводность, плотность, температура применения гибкой теплоизоляции на основе аэрогеля. Теплофизические свойства (рус.)