Степанова К. В

544 гр. (2007 г.)

Первенство в изобретении аэрогеля 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. Он заключил пари, что невозможно удалить жидкость из желе без того, чтобы оно не осело. Кистлер заменил жидкость в желе на метанол, а затем нагрел в герметичной камере 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. Выиграл Кистлер пари или нет, он изобрел первый «аэрогель». Первым аэрогелем, полученным в лаборатории Кистлера, стал всем известный силикагель (silica gel, гель кремниевой кислоты), который сегодня повсеместно используется в качестве вещества для эффективного поглощения влаги.

Несколько позднее Кистлер открыл аэрогели на основе окиси алюминия, алюмохромовые и окиси олова. Он продолжал экспериментировать с созданием кварцевых аэрогелей, нитроцеллюлозы и каучука. Практически прозрачный кварцевый аэрогель достаточно прочен – двухграммовый образец не сморщивается под кирпичом весом 2,5 кг.

Первоначально производство "голубого дыма" было достаточно дорогим, к тому же сами аэрогели, ввиду несовершенства технологии, получались достаточно хрупкими. Со временем процесс пошёл по нарастающей: бакелит – 1930-е, углеродные волокна – 1980-е. Наиболее любопытные аэрогели - кремнийорганические, или силиконовые (на основе углерода), были открыты в начале 1990 годов.

Хотя процесс Кистлера был эффективен, надо признать, что он требует нагрев и одновременную герметизацию огнеопасных и ядовитых паров метанола. Хотя за последующие 70 лет к этому процессу мало что добавилось, эти материалы начали пробивать себе дорогу из лаборатории на рынок. Химики сумели создать аэрогели с различными начальными составами кварца и заменили метанол сжиженный углекислым газом. Современные аэрогели имеют отдельные недостатки, к числу которых относится синеватый отлив, связанный с наночастицами кварца, рассеивающими коротковолновую составляющую спектра.

Структура

Аэрогели относятся к классу материалов, в которых полости занимают не менее 50% объема. Как правило, этот процент достигает 90-99, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м³. Структуру аэрогеля образуют сферические кластеры из кварца диаметром примерно 0,004 мкм, формирующие трехмерную сетку, поры которой заполнены воздухом. Размеры пор в десять и более раз превышают размеры кластеров, что и позволяет получать очень легкий материал. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм и пор размерами до 100 нм.

• 
  На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твердую пену;
  
• 
  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;
  

• 
  Плотность достигает всего 0,3 – 0,03г/см³(во много раз легче пуха);
  
• 
  Эффективные поглотители солнечного света (показатели преломления 1,006 до 1,060; длина поглощения при λ=400нм более 400см);
  
• 
  Абсорбируют токсичные тяжёлые металлы, например, халькогель сорбирует 99.9% ртути из раствора и всего лишь 40% цинка.
  

• 
  кварцевые аэрогели: плотность=1,9 кг/м³ (в 500 раз меньше плотности воды), пропускают солнечный свет, но сильно поглощают тепловое излучение, имеют низкую теплопроводность (0,003 Вт/(м·К)),температура плавления составляет 1200°C;
  
• 
  «халькогели» (chalcogels),получают, заменив в составе классических аэрогелей кислород серой или селеном, что позволяет пористой структуре аэрогеля более предпочтительно связываться с токсичными металлами, в том числе и ртутью.
  
• 
  углеродные аэрогели: электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторе обладают большой площадью внутренней поверхности (до 800 м²/грамм); за счет этого углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов ёмкостью в тысячи фарад. Отражают всего 0,3% излучения в диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм, что делает их эффективными поглотителями солнечного света;
  
• 
  кремнезёмные аэрогели из оксида алюминия с добавками других металлов используются в качестве катализаторов.
  

Типичный способ производства аэрогеля - извлечение жидкой фазы геля путём закритической сушки, то есть, высушивание при температуре и давлении, превышающих критические для данного вещества. Таким образом удаётся медленно отвести жидкость, не нарушая при этом матричную структуру твёрдой фазы, без коллапса капилляров, как это происходит в случае обычного испарения.

Обычно аэрогели получают, осушая суперкритическим углекислым газом гели оксида кремния или оксида алюминия. Процесс осушки замещает все молекулы растворителя на CO₂, который впоследствии медленно замещается азотом и кислородом воздуха, однако структура геля при этом не повреждается.

Применение:

В черенковских радиаторах: как известно, черенковское излучение возбуждается в веществе заряженной частицей, если ее скорость превышает в нем скорость света, которая обратно пропорциональна показателю преломления вещества. Последний зависит от плотности вещества, которую в аэрогеле можно варьировать в широких пределах путем изменения его пористости.

Физика низких температур. Аэрогель оказался очень эффективным инструментом при исследовании свойств сверхтекучего гелия. Введение в поры аэрогеля сверхтекучего гелия привело к существенному изменению его свойств. Особый интерес к "загрязненной" таким образом сверхтекучей жидкости возник в связи с тем, что неизвестно о существовании каких либо веществ, которые бы в ней растворялись. Твердые частички аэрогеля, случайно разбросанные по всему объему жидкости, будучи чрезвычайно малыми, выполняют в ней роль псевдопримесей, концентрацию которых нетрудно изменять в широких пределах, используя аэрогель с различной пористостью, вплоть до 99,5 процента. Это вызвало большой интерес к аэрогелю и появлению фактически нового направления в исследованиях сверхтекучести. Немаловажным обстоятельством при этом является то, что имеется много общего в характере влияния примесей на свойства текучего гелия-3 и сверхпроводящих материалов.

Лазерные эксперименты. При облучении мишени, состоящей из плотной и легкой среды (аэрогеля), мощным импульсным лазером возникает сильный терморадиационный удар, который приводит к смешиванию этих сред и другим явлениям в месте их соприкосновения. Изучение такого эффекта важно, в том числе, и для объяснения явлений, возникающих при взрыве сверхновых звезд.

Микроэлектроника. Аэрогели обладают самыми низкими диэлектрическими константами, и использование их, например, в качестве изоляционных слоев в многослойных печатных платах позволяет значительно повысить быстродействие электроники.

Захватывающая среда. Аэрогель используется для регистрации космической пыли и мелких высокоскоростных частиц разного рода происхождения. При соударении с плотным твердым веществом такие частицы расплавляются или даже испаряются, Аэрогель обеспечивает достаточно плавное снижение скорости частиц, а также, будучи прозрачным материалом, дает возможность наблюдать их треки.

Ведутся работы (в США) по обнаружению с помощью аэрогеля вредоносных микроорганизмов в воздухе. Введенные в поры аэрогеля бактерии определенного сорта теряют там свою подвижность. При взаимодействии с ними микроорганизмов, содержащихся в потоке воздуха, образуется сцинтиллирующее вещество, свет из которого регистрируется фотодетектором.

• 
  Применение в различных областях - от очистки воды до удаления остатков тяжелых металлов из продуктов органического синтеза (халькогели);
  
• 
  изготовление стёкол из аэрогеля;
  

• 
  возможность использования в подушках безопасности;