Свойства и структура аэрогелей
Аэрогели – это класс материалов, которые представляют собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной фазой.
Аэрогели обладают очень низкой плотностью, но при этом демонстрируют определенные уникальные свойства, такие как:
- твердость,
- жаропрочность,
- прозрачность,
- низкая теплопроводность.
Изобретателем аэрогеля считается американский химик Стивен Кистлер, который опубликовал результаты своих исследований и экспериментов в 1931 году в журнале “Nature”. Он заменял жидкость в геле на метанол, после чего нагревал гель до критической температуры метанола - 240 градусов по Цельсию. Метанол исчезал из геля, при этом тот не уменьшался в объеме. В 1990 году впервые были получены аэрогели на основе углерода.
Метанол – это простейший одноатомный спирт.
Аэрогель напоминает легкую, но твердую пену, которая похожа на пенопласт. В случае сильной нагрузки аэрогель трескается, но в общем это твердый материал, образец аэрогеля способен выдерживать нагрузку, которая в 2000 раз превышает его собственный вес. Аэрогели гигроскопичны (способны поглощать водяные пары из воздуха), также они являются хорошими теплоизоляторами (особенно кварцевые аэрогели). Кварцевые аэрогели полупрозрачны. Благодаря рэлеевскому рассеянию света на древовидной структуре они выглядят голубоватыми в отраженном свете и светло-желтыми в проходящем. Похожими оптическими свойствами обладают аэрогели на основе оксидов алюминия, титана и циркония. У аэрогелей на основе других оксидов различный цвет и прозрачность, например, железооксидный аэрогель непрозрачен и имеет цвет ржавчины, ванадиевооксидный аэрогель непрозрачен и имеет оливково-зеленый цвет, аэрогели на основе оксида хрома могут быть темно-зеленого или темно-синего цвета. Аэрогели на основе углерода глубокого черного цвета и поглощают практическая 100 % падающего света.
Все аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают минимум 50 %, а в большинстве случаев от 95 до 99 % общего объема. Их плотность может составлять от 1 до 150 килограмм на кубометр. Структура аэрогелей представляет собой древовидную сеть из наночастиц размером от 2 до 5 нанометров и пор размером до 100 нанометров, которые объединены в кластеры.
Виды аэрогелей и их применение
Самыми распространенными видами аэрогелей являются:
- Аэрографиты.
- Глиноземные аэрогели.
- Графеновый аэрогель.
Аэрографиты или углеродные аэрогели обладают хорошей электропроводностью и могут быть использованы в качестве электродов в конденсаторах. Благодаря большой площади внутренней поверхности - до 800 квадратных метров на грамм, углеродные аэрогели широко используются в производстве ионисторов, емкость которых может составлять тысячи фарад. Аэрографиты отражают всего 0,3 % излучения в диапазоне от 250 до 14300 нанометров, являясь эффективными поглотителями солнечного света.
Глиноземные аэрогели на основе оксида алюминия с добавками других металлов используются в качестве катализаторов. На основе таких аэрогелей с добавками тербия и гадолиния в НАСА был разработан детектор высокоскоростных соударений - в месте столкновения частиц с поверхностью происходит флюоресценция - интенсивность ее зависит от скорости соударения. Есть предположение, что аэрогели на основе платины могут быть использованы для ускорения процесса производства водорода. Аэрогель на основе оксида железа с добавлением алюминиевых наночастиц может быть использован в качестве взрывчатки.
В настоящее время самым легким материалом в мире является графеновый аэрогель, который был создан в Китае. Он является углеродным материалом, плотность которого ниже, чем плотность газообразного гелия, но выше, чем у газообразного водорода. Для его создания был использован графен, посредством сублимационной сушки. Это очень прочный и упругий материал, который обладает способностью поглощать полностью органические материалы с большой скоростью. Один грамм может впитать за одну секунду 68 грамм нерастворимого в воде вещества. Он используется в мероприятиях по защите окружающей среды и ликвидации последствий экологических катастроф, например, в 1996 году он использовался для ликвидации утечки 7200 тонн нефти с танкера Sea Empress.
Профессор химии Меркьюри Канацидис создал аэрогель, который предназначался для очистки воды от ртути и свинца. Он обладает самой низкой плотностью на планете. Перспективным выглядит его использование для фильтрации загрязненной воды, изготовления ювелирных изделий и изоляции от экстремальных температур. Компания Dunlop разработала целый ряд моделей ракеток для тенниса и сквоша, которые усилены аэрогелем, повышающим их мощность. Сейчас на многих промышленных предприятиях используются теплоизоляционные материалы на основе различных видов аэрогелей.
