Аэрогель: вещество легче воздуха
- Структуру аэрогеля время от времени иносказательно именуют «жемчужной нитью». Как явствует из иллюстрации, сравнение достаточно правильное
Образцы «звездной пыли» из кометы 81P/Вильда, пойманные аэрогелевыми ловушками исследовательского аппарата Stardust
- Графеновый аэрогель, созданный сотрудниками Чжэцзянского университета в Ханчжоу, — самое легкое жёсткое вещество в мире
Аэрогель — это необычный, весьма необычный материал. У него нет фактически ни одного свойства, в которое возможно сходу, без доказательств поверить. Только подержав брусок аэрогеля в руках либо хотя бы взглянув записи, где это делает кто-либо второй, начинаешь осознавать: похоже, это правда.
Являясь жёстким материалом, он на 99,8% складывается из воздуха и наряду с этим способен выдерживать вес, превышающий его личный в 4000 раз (!), что говорит о нечеловеческой прочности.
Аэрогели огнеупорны, воздухопроницаемы, способны впитывать воду либо масло, смогут — в зависимости от материала изготовления — являться электрическим проводником либо не меньше действенным изоляционным материалом. Однако, не обращая внимания на то что изобрели аэрогель около сотни лет назад, сфера его применения сейчас ограничена. Прежде всего это связано с высокой ценой.
Себестоимость исходных материалов для аэрогеля образовывает порядка $1000 за кубический сантиметр, и это не считая важных временных затрат. А время, как мы знаем, это самый дорогостоящий ресурс. Так или иначе, на сегодня аэрогель существенно дороже золота. Второй недочёт — чрезмерно малая пластичность, другими словами аэрогели весьма хрупкие.
Они выдержат давление, но не удар.
Аэрогель на кухне?
В принципе, изготовить аэрогель дома возможно. Но это будет весьма дорого, сложно, и с высокой долей возможности итог окажется пара хорошим от ожиданий. «Исходником» помогает гель — материал (а правильнее, дисперсная совокупность), складывающийся из двух компонентов — макромолекулярной низкомолекулярного растворителя и сетки, заполняющего поры сетки. «Наполнителем» может служить вода, спирт, углеводороды, а структурой — диоксид кремния, оксид алюминия, желатин и т. д. В аэрогеле же жидкий наполнитель заменяется воздухом, и получается пористая структура.
Первый аэрогель был взят из так именуемого алкогеля — силикагеля (структуры, образованной растворами кремниевых кислот), поры которого были заполнены спиртом. Казалось бы, что возможно несложнее, достаточно извлечь жидкую составляющую и заменить газообразной. Но в случае если совершить такую операцию грубо, то структура «схлопнется» и деформируется.
Исходя из этого получение аэрогеля предполагает определенные трудности.
Несложный метод, что применял в 1920-х годах изобретатель аэрогеля Сэмюэл Кистлер, выглядит следующим образом. Вначале гель нагревается до критической точки — таковой давления и температуры, при которой свойства жидкости и газа не различаются между собой. После этого давление понижается при сохранении критической температуры — наряду с этим вещество сохраняет газообразное состояние.
После этого, второй ступенью, понижается и температура — спирта в структуре наряду с этим через чур мало, дабы он имел возможность конденсироваться обратно в жидкость, и поры геля остаются наполненными газом (воздухом). В итоге мы приобретаем недеформированную структуру — аэрогель. Звучит несложно, но выстроить на кухне устройство для приведения геля к критической температуре, а тем более к давлению — задача не из тривиальных.
Но, торопимся подметить, это в полной мере быть может, и прецеденты имеется.
Исходный продукт
Аэрогель возможно сделать из большого количества материалов — разных полимеров, металлов и т. д. Самый распространены в индустрии (в случае если это возможно назвать «распространением») три типа: на базе силикагелей, оксидов и углеводородов металлов. Значительно чаще в опытах применяют первый тип.
Силика-аэрогели выглядят воздушно-голубыми. Их окраска разъясняется тем, что материал содержит много оксида и (частиц кремния) и заполненных воздухом либо газом пор нанометровых размеров, каковые рассеивают коротковолновое излучение (светло синий и фиолетовый) лучше, чем длинноволновое. Другими словами по той же самой причине, из-за чего небо в ясный сутки имеет светло синий оттенок: за счет рассеяния света на молекулах газов в воздухе.
Аэрогели на базе углеродных гелей тёмные, напоминают и на вид, и на ощупь уголь, лишь весьма легкий. Имея весьма громадную площадь поверхности и будучи хорошими проводниками, они смогут употребляться для изготовления суперконденсаторов либо топливных элементов.
Наконец, аэрогели на базе оксидов металлов употребляются в качестве катализаторов при химических реакциях, и при производстве взрывчатых веществ, карбоновых нанотрубок и т. д. В отличие от силикогелевых и углеродных собратьев, железные аэрогели смогут быть различных цветов — в зависимости от применяемого металла.
Что с этим делать?
Используются аэрогели в достаточно широком спектре областей, но, так сообщить, понемногу. Одна из главных отраслей, применяющих подобные материалы, — космическая.
К примеру, во второй половине 90-ых годов двадцатого века агентство NASA запустило космический аппарат «Стардаст», созданный специально для изучения короткопериодической кометы 81P/Вильда. Пролетев около шести миллиардов километров, «Стардаст» удачно достиг кометы, сделал последовательность фотоснимков и, что крайне важно, собрал частицы «звездной пыли» из комы (облака пыли и газа), окружающей комету.
Для сбора образцов именно и употреблялся аэрогель, известный своими абсорбирующими качествами. 260 аэрогелевых параллелепипедов уловили большое количество частиц и послужили «контейнерами», разрешившими доставить «звездную пыль» на Землю в полной сохранности. В 2006 году «Стардаст» удачно возвратился, и ученые в первый раз за долгие годы взяли образцы космического вещества — причем не какого-либо, а из «окружения» кометы; анализ взятых образцов стал еще одной вехой в изучении космоса.
В принципе, в качестве ловушки возможно было применять и другие вещества, но нет ничего, что могло сравниться с аэрогелем по сочетанию «малая масса — высокая адсорбирующая свойство».
Само собой разумеется, не космосом единым жив человек. Для нас намного более принципиально важно не исследовательское, а прикладное использование того либо иного изобретения. Примечательно, что на ранних стадиях аэрогели пробовали использовать фактически во всех сферах людской существования — от косметики до взрывчатки, от сигарет до холодильников.
В 1940-х годах Сэмюэл Кистлер подписал договор с компанией Monsanto, которая создавала и реализовывала данный материал под торговой маркой Santocel. Содержание воздуха в «сантоселе» составляло порядка 94%. Прежде всего «сантосель» рекламировался как изоляционный материал для пожароопасных производств, потому, что был негорючим и весьма легким.
Его абсорбирующие особенности разрешали применять его в качестве загустителя в напалмовых бомбах, кроме этого он употреблялся при производстве лакокрасочной продукции и т. д. В течение четверти века Monsanto была единственным производителем аэрогелей в мире, но в 1970-х годах и она свернула производство необычного вещества. Через чур мелок был спрос, и через чур дорогим и страшным оставалось производство.
Но в 1980-х годах ученые создали последовательность более несложных способов получения аэрогеля. Спирт был заменен диоксидом углерода, а использование в технологии изготовления силикагелей алкоголятов кремния снизило токсичность и повысило скорость производства. Аэрогель опять купил коммерческую сокровище и взял второй шанс.
Сейчас аэрогели используются в разных отраслях индустрии, к примеру при производстве строительных материалов и силикона. Аэрогель возможно встретить в красках, косметике, влагонепроницаемых и огнеупорных тканях, в ядерной отрасли. Но главное потребление он отыскал в сфере изоляционных материалов.
В частности, это совершенный огнеупорный материал, разрешающий расширить пожарную безопасность строений, и теплоизоляционная структура для труднодоступных участков (скажем, оконные щели в точках открывания). Да, цена его высока, но при грамотном применении в определенных местах она выходит кроме того меньше, нежели при применении классических способов.
В случае если в скором будущем будут созданы новые, более недорогие его производства стоимость и методики аэрогеля упадет, аэрогель в полной мере может стать товаром широкого потребления. Как алюминий, нейлон либо дерево.
Вперед в будущее
Изучение аэрогелей длится. Перед учеными стоит множество задач: сделать материал прочнее, дешевле, и обезопасить его производство. В 2002 году доктор наук Николас Левентис из технологий штата и Университета науки Миссури заявил о том, что создал способ производства нехрупкого аэрогеля (раньше хрупкость была одной из главных неприятностей материала).
Вещества, созданные по методике Левентиса, взяли наименование X-аэрогели — они более прочные и эластичные, но, иначе, их производство очень страшно и занимает больше времени. Ухудшились и изоляционные особенности. X-аэрогели смогут применяеться в сфере производства брони, автомобильных шин, самолетов.
Углеродные аэрогели возможно использовать для суперконденсаторов и топливных элементов.
Современная наука значительно чаще базируется на изучениях, каковые проводятся в прекрасно оборудованных лабораториях целыми университетами. Аэрогелем, как ни необычно, может заниматься и ученый-одиночка — нужное оборудование относительно доступно. Это открывает большие возможности для изучений.
В сети возможно отыскать целые сайты, посвященные рецептам и методике по изготовлению аэрогелей.
Но мы, думается, так и не ответили на два серьёзных вопроса, заданных в начале материала: вправду ли аэрогель возможно легче воздуха и из-за чего китайский графеновый аэрогель стал сенсацией. Плотность разных аэрогелей в большинстве случаев варьируется в пределах от 0,001 до 0,5 г/см3 (значительно чаще порядка 0,02 г/см3) а плотность воздуха — 0,001225 г/см3.
Другими словами аэрогель вправду возможно мало легче воздуха — таковой эффект достигается удалением воздуха из пор и замещением его газом, более легким, чем воздушное пространство. Китайские же ученые поставили рекорд, добившись плотности 0,00016 г/см3. Прошлый рекорд сверхмалой плотности принадлежал материалу называющиеся аэрографит, созданному годом ранее германскими учеными, — его плотность составляла 0,0002 г/см3.
Главное достижение китайцев не только в разработке нового способа получения аэрогеля и установлении рекорда, но и в хороших особенностях графенового аэрогеля: он страно эластичен (восстанавливается по окончании 90%-ного сжатия) и может поглотить количество жидкости (масла), в 900 раз превышающее его собственную массу. В полной мере возможно, новое вещество станет прекрасным улавливателем океанического мусора и, что важно, загрязняющих воду веществ, к примеру нефти.
В общем, широкое использование на практике аэрогелей в повседневной судьбе, как говорится, на носу. Правда, пока совсем непонятны размеры этого носа.
Сделай сам
На сайте aerogel.org приведена пошаговая инструкция по изготовлению установки для сверхкритической сушки — того самого устройства, которое разрешит приобретать аэрогели дома, и множество руководств по созданию аэрогелей разных типов.
Сверхкритическая сушка
- В то время, когда вещество достигает критических давления и показателей температуры, оно начинает вести себя одновременно и как жидкость, и как газ и именуется сверхкритическим флюидом.
(любой абзац поочередно относится к изображенным слева кубам в цепном порядке, как на картине)
— Высокотемпературный процесс начинается с того, что берется жёсткий гель (изготовленный с применением, к примеру, алкоголятов кремния), водный раствор и катализатор спирта.
— Для удаления избытка воды гель пара раз замачивают в спирте.
— После этого гель под давлением помещают в контейнер со спиртом и доводят до критической точки методом давления и повышения температуры.
— По прохождении критической точки вещество получает в один момент свойства жидкости и газа. После этого давление неспешно понижается при сохранении постоянной температуры. Флюиды в газообразной форме выходят из вещества.
— На протяжении охлаждения частицы диоксида кремния образуют жёсткую структуру. Оставшегося спирта в газообразной форме через чур мало, дабы конденсироваться обратно в жидкость, — он остается в нанопорах в качестве газа. Остаточный газ выводится из аэрогеля посредством вентиляции.
Статья «В то время, когда воздушное пространство думается тяжелым» размещена в издании «Популярная механика» (№128, июнь 2013).
<
h4>