Аерогель

Блок аерогелю в руці
Цегла масою 2,5 кг стоїть на шматку аерогелю масою 2,38 г

Аерогелі (від лат. aer - Повітря і gelatus - Заморожений) - клас матеріалів, що представляють собою гель, в якому рідка фаза повністю заміщена газоподібною. Такі матеріали мають рекордно низькою щільністю і демонструють ряд унікальних властивостей: твердість, прозорість, жароміцність, надзвичайно низьку теплопровідність і т. д. Поширені аерогелі на основі аморфного діоксиду кремнію, глиноземів, а також оксидів хрому та олова. На початку 1990-х отримані перші зразки аерогелю на основі вуглецю.


1. Структура

Аерогелі відносяться до класу мезопористих матеріалів, у яких порожнини займають не менше 50% обсягу. Як правило, цей відсоток сягає 90-99, а щільність складає від 1 до 150 кг / м . За структурою аерогелі являють собою деревоподібну мережу з об'єднаних в кластери наночастинок розміром 2-5 нм і пір розмірами до 100 нм.

2. Історія

Першість у винаході визнано за хіміком Стівеном Кистлер (Steven Kistler) з Тихоокеанського коледжу (College of the Pacific) в Стоктон, Каліфорнія, США, що опублікував в 1931 в журналі Nature свої результати.

Кистлер заміняв рідина в гелі на метанол, а потім нагрівав гель під тиском до досягнення критичної температури метанолу (240 C). Метанол йшов з гелю, не зменшуючись в об'ємі; відповідно, і гель "висихав", майже не ужімаясь.


3. Властивості

Аерогелі - хороші теплоізолятори

На дотик аерогелі нагадують легку, але тверду піну, щось на зразок пінопласту. При сильному навантаженні аерогель тріскається, але в цілому це дуже міцний матеріал - зразок аерогелю може витримати навантаження в 2000 разів більше власної ваги. Аерогелі, особливо кварцові - хороші теплоізолятори. Вони також дуже гігроскопічні.

За зовнішнім виглядом аерогелі напівпрозорі. За рахунок релеевскому розсіювання світла на деревовидних структурах вони виглядають блакитнуватими у відбитому світлі і світло-жовтими у минаючому.


4. Види аерогелей

Найбільш поширені кварцові аерогелі, по щільності серед твердих тіл вони поступаються лише металевим мікрорешеткам чия щільність може досягати - 0,9 кг / м , що на одну десяту менше кращих показників щільності аерогелей - 1 кг / м . У повітряному середовищі при нормальних умовах щільність такої металевої мікрорешеткі дорівнює 1,9 кг / м за рахунок внутрірешеточного повітря. Це в 500 разів менше щільності води і всього в 1,5 рази більше щільності повітря. Кварцові аерогелі пропускають світло в м'якому ультрафіолеті і видимій області (з довжиною хвилі більше 300 нм) і інфрачервоному діапазоні, проте в інфрачервоній області присутні типові для кварцу, одержуваного зневоднюванням силікагелів, смуги гідроксилу при 3500 см -1 і 1600 см -1 [1]. Завдяки надзвичайно низькій теплопровідності (~ 0,017 Вт / (м К) в повітрі при атмосферному тиску), [2], меншою, ніж теплопровідність повітря (0,024 Вт / (м К)), вони застосовуються в будівництві як теплоізолюючих і теплоудержуючою матеріалів. Температура плавлення кварцового аерогелю становить 1200 C.

Вуглецеві аерогелі складаються з наночастинок, ковалентно зв'язаних один з одним. Вони електропровідні і можуть використовуватися в якості електродів в конденсаторах. За рахунок дуже великої площі внутрішньої поверхні (до 800 м / грам) вуглецеві аерогелі знайшли застосування у виробництві суперконденсаторів ( іоністорів) ємністю в тисячу фарад. В даний час досягнуті показники в 10 4 Ф / грам і 77 Ф / см . Вуглецеві аерогелі відображають всього 0,3% випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 0,25 до 14,3 мкм, що робить їх ефективними поглиначами сонячного світла.

Глиноземні аерогелі з оксиду алюмінію з добавками інших металів використовуються в якості каталізаторів. На базі алюмооксидного аерогелей з добавками гадолінію і тербію в НАСА був розроблений детектор високошвидкісних зіткнень: в місці зіткнення частинки з поверхнею відбувається флюоресценція, інтенсивність якої залежить від швидкості зіткнення.


5. Використання

132 осередки з аерогелем апарату Стардаст (NASA)

Крім численних технічних застосувань, обумовлених вищепереліченими унікальними властивостями, аерогель знаменитий перш за все використанням у проекті "Стардаст" в якості матеріалу для пасток космічного пилу.

Оскільки показник заломлення аерогелей займає проміжне положення між показниками заломлення газоподібних і рідких (твердих) речовин, аерогель використовується як радіатор в Черенковськоє детекторах заряджених частинок.

Аерогелі можуть використовуватися в якості газових і рідинних фільтрів.

Аерогель на основі оксиду заліза з алюмінієвими наночастинками може служити вибухівкою (розробка Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса, США).

На початку 2006 деякі компанії, наприклад, United Nuclear [3], заявили про початок продажів аерогелю організаціям та приватним особам. В залежності від розміру і форми зразка, ціна складає від $ 25 (фрагменти) до $ 125 (шматочок, що поміщається на долоні).


Примітки

  1. Optical properties of Silica aerogels / / Enviromental Technology Division of EO Lawrence Berkeley National Laboratory - eetd.lbl.gov / ECS / Aerogels / sa-optical.html
  2. Thermal properties of Silica aerogels / / Enviromental Technology Division of EO Lawrence Berkeley National Laboratory - eetd.lbl.gov / ECS / Aerogels / sa-thermal.html
  3. Офіційний сайт United Nuclear - unitednuclear.com / index.php? main_page = product_info & cPath = 16_17_69 & products_id = 89