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, им также принадлежит текущий рекорд по самой малой плотности у твердых тел — 1,9 кг/м³, 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. 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 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

132 ячейки с аэрогелем аппарата Стардаст (NASA)

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, 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

• Пенометалл

Ссылки

• Часто задаваемые вопросы об аэрогеле (проект «Стардаст»)  (англ.)
• Тепловые свойства кремниевого аэрогеля  (англ.)
• Научный блог, посвящённый аэрогелю и всему, что с ним связано  (англ.)