21 January 2010 — Aerogels are a class of materials with fascinating properties but they are hardly materials at all as they can be composed of up to 99.8% empty space. Aerogels are among the most versatile materials available for technical applications due to their wide variety of exceptional properties. This material has chemists, physicists, astronomers, and materials scientists utilizing its properties in a myriad of applications. In this lecture Dr. Gash and Mr. Dean Reese will describe and demonstrate the structure, properties, and advanced applications of aerogels, and even synthesize one. Series: Science on Saturday [2/2010] [Science] [Show ID: 17645]
Аэрогель невесомый материал будущего.
Аэрогель – весьма необычное творение человеческих рук, материал, удостоенный за свои уникальные качества 15 позициями в книге рекордов Гиннеса.Название «аэрогель» произошло от двух латинских слов aer — воздух и gelatus — замороженный. Поэтому аэрогель часто называют «замороженным дымом». Впрочем, по внешнему виду аэрогель действительно напоминает застывший дым. Аэрогель представляет собой необычный гель, в котором отсутствует жидкая фаза, полностью замещенная газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т.д. Аэрогель удивителен еще и тем, что на 99.8% состоит из… воздуха!
История появления аэрогеля до сих пор выяснена не до конца. Известно лишь, что первым его получил американский учёный Сэмюэль Кистлер в конце двадцатых или в тридцатом году прошлого века в Тихоокеанском колледже в Стоктоне (штат Калифорния). Получил, как это порой бывает, в научных изысканиях, почти случайно, в качестве побочного продукта кристаллизации аминокислот в суперкритических супернасыщенных жидкостях. Ученый добился получения аэрогеля, заменяя жидкость в обычном геле метанолом. После этого гель нагревался под высоким давлением до 240 градусов (критическая температура для метанола). В этот момент газообразный метанол уходил из геля, но обезвоженная пена не уменьшалась в объеме. В итоге образовывался легкий мелкопористый материал, названный в последствие аэрогелем.
Официальной датой появления нового материала считается 1931 год, время опубликования статьи о нем в журнале Nature. Неизвестно и происхождение термина «аэрогель». Остается загадкой, сам ли Кистлер ввел его в нашу речь, или воспользовался подсказкой своих коллег. Первый аэрогель был получен ученым из кварца. Впоследствии этот материал научились изготавливать из оксидов металлов, органических веществ, и многих других исходных ингредиентов.
По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в однородные группы (кластеры) частиц размером 2-5 нанометров и пор, заполненных воздухом, размерами до 100 нанометров. Внешне аэрогель больше всего похож на прозрачную или полупрозрачную застывшую мыльную пену. При взгляде невооруженным глазом, аэрогель представляется сплошным однородным веществом, что выгодно отличает его от таких пористых сред как различные пены. На ощупь аэрогель также напоминает застывшую пену. Это достаточно прочный материал – аэрогель способен выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. Например, небольшой блок аэрогеля весом 2.38 г. легко противостоит массе кирпича в 2.5 кг! Кварцевые аэрогели являются очень хорошим теплоизолятором.Процесс производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических реакций, гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и на выходе получается желеобразный продукт. Затем спиртом из желе удаляется вода. Полное ее удаление – залог успешности всего процесса. Следующий шаг - "суперкритическое" высыхание. Оно производится в автоклаве при высоком давлении и температуре, в процессе участвует сжиженный углекислый газ.
Прикладное использование кварцевого аэрогеля, как материала для изоляции, началось в сороковых годах двадцатого века. Известная компания Monsanto выпускала этот продукт по лицензионному соглашению с Кистлером. Однако широкого распространения в силу дороговизны аэрогелевые теплоизоляторы не получили, и в семидесятых годах производство было свернуто. Лишь в самом конце прошлого века аэрогели вновь начали широко использоваться человечеством, прежде всего в космической отрасли.
Именно аэрогель стал важнейшим элементом решетчатого улавливателя, при помощи которого космический зонд Stardust захватил миллионы крошечных частиц из хвоста кометы Wild 2 и доставил спускаемый аппарат с этими образцами на землю. Кстати сказать, среди многообразия уловленных зондом частиц были обнаружены следы глицина – важнейшей для образования белка аминокислоты. Ученым, разделяющим теорию о внеземном происхождении жизни, эта находка стала косвенным доказательством их правоты.
В качестве уникального теплоизолятора аэрогель планируется использовать в космических скафандрах американского производства, создаваемых для марсианского проекта НАСА. Так же НАСА анонсировало применение аэрогеля в качестве теплового щита новых моделей шаттла.Перспективны также аэрогели в микроэлектронике. Главным образом, благодаря тому, что они обладают самыми низкими диэлектрическими константами. Использование аэрогелей в качестве изоляционных слоев в многослойных печатных платах позволит значительно повысить быстродействие электроники.
В 2007 году американские химики презентовали созданные ими аэрогели, которые могут служить фильтром для очистки воды от вредных примесей, таких как ртуть, свинец и другие ядовитые тяжелые металлы. Пока производство этих материалов достаточно ограничено из-за высокой цены, т.к. в состав фильтров входит платина, но когда ей будет найдена замена в виде более дешевого аналога, очистителями нового образца можно будет избавить от тяжелых металлов водоемы планеты.
Кроме этого новые аэрогели проявляют свойства полупроводников, следовательно, могут использоваться в фотоэлементах и других оптоэлектронных устройствах.
Кварцевый аэрогель, как уже говорилось, – уникальный теплоизолятор. Он выдерживает температуру до 500 градусов по Цельсию, а слоя толщиной 2,5см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от прямого воздействия паяльной лампы. Существуют разновидности аэрогелей с температурой плавления до 1200 С. Свойства арогелей в немалой степени зависят от исходного материала, из которого их производят. Существуют аэрогели из глиноземов (с добавкой оксида алюминия), диоксида кремния, а также оксида олова и хрома. Совсем недавно были получены аэрогели на основе углерода. Есть аэрогели, применяющиеся в качестве катализаторов. В настоящее врмя в НАСА идут испытания алюмооксидных аэрогелей, содержащих редкие элементы - гадолиний и тербий. Эти аэрогели используются как детекторы высокоскоростных соударений.
Некоторые прозрачные разновидности аэрогеля рассматриваются учеными в качестве замены оконному стеклу. Ведь коэффициент преломления у аэрогелей гораздо ниже, чем у стекла (1,05 против 1,5). Изначальную хрупкость этого перспективного материала науке уже удалось преодолеть, сейчас доступен выпуск упругих и гибких аэрогелей. На повестке дня вопрос о снижении себестоимости производства до пределов, делающих использование в широких масштабах рентабельным. Аэрогели часто называют материалом 21 века. Так ли это, мы скоро увидим.
No comments:
Post a Comment