Аерогель

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Блок аерогеля в руці

Аерогелі (від лат. Aer — повітря і лат. gelatus — заморожений) — клас матеріалів, що являють собою гель, у якому рідка фаза повністю заміщена газоподібною. Такі матеріали мають рекордно низьку густину і демонструють низку унікальних властивостей: твердість, прозорість, жароміцність тощо. Поширені аерогелі на основі аморфного діоксиду кремнію, глинозему, а також оксидів хрому та олова. На початку 1990-х отримані перші зразки аерогеля на основі вуглецю.

Структура[ред.ред. код]

Аерогелі відносяться до класу мезопористих матеріалів, у яких порожнини займають не менше 50% об'єму. Як правило, цей відсоток досягає 90-99, а густина становить від 1 до 150 кг/м³. За структурою аерогелі являють собою деревовидну мережу з об'єднаних у кластери наночастинок розміром 2-5 нм і пор розмірами до 100 нм.

Історія[ред.ред. код]

Першість у винаході визнана за хіміком Стівеном Кістлером (Steven Kistler) з Тихоокеанського коледжу (College of the Pacific) в Стоктоні, Каліфорнія, США, який опублікував у 1931 році в журналі Nature свої результати.

Кістлер заміняв рідину в гелі на метанол, а потім нагрівав гель під тиском до досягнення критичної температури метанолу (240 °C). Метанол виходив з гелю, не зменшуючись в об'ємі; відповідно, і гель «висихав», майже не ужимаючись.

Властивості[ред.ред. код]

Аерогелі — гарні теплоізолятори: квітка на шматку аерогелю над пальником Бунзена
2,5-кг цеглини, що утримується на блоці аерогелю вагою 2,38 г

На дотик аерогелі нагадують легку, але тверду піну, щось на кшталт пінопласту. При сильному навантаженні аерогель тріскається, але в цілому це дуже міцний матеріал — зразок аерогеля може витримати навантаження в 2000 разів більше власної ваги. Аерогелі, особливо кварцові — гарні теплоізолятори. Вони також дуже гігроскопічні.

За зовнішнім виглядом аерогелі напівпрозорі. За рахунок релеєвського розсіювання світла на деревовидних структурах вони виглядають блакитнуватими у відбитому світлі і ясно-жовтими в проходідному.

Види аерогелей[ред.ред. код]

Найбільш розповсюджені кварцові аерогелі, їм також належить поточний рекорд з найменшої щільності у твердих тіл — 1,9 кг/м³, це в 500 разів менше щільності води і всього в 1,5 рази більше щільності повітря. Кварцові аерогелі пропускають світло в м'якому ультрафіолеті і видимій області (з довжиною хвилі більше 300 нм) і інфрачервоному діапазоні, проте в інфрачервоній області присутні типові для кварцу, одержуваного зневоднюванням силікагелей смуги гідроксилу при 3500 см−1 і 1600 см−1[1]. Завдяки надзвичайно низькій теплопровідності (~0,017 Вт/(м·К) в повітрі при атмосферному тиску)[2], меншою, ніж теплопровідність повітря (0,024 Вт/(м·К)), вони застосовуються в будівництві як теплоізолятори і теплоутримуючі матеріалів. Температура плавлення кварцового аерогеля становить 1200 °C.

Вуглецеві аерогелі складаються з наночастинок, ковалентно пов'язаних одна з одною. Вони електропровідні і можуть використовуватися як електроди в конденсаторах. За рахунок дуже великої площі внутрішньої поверхні (до 800 м²/грам) вуглецеві аерогелі знайшли застосування у виробництві суперконденсаторів (йоністорів) ємністю в тисячі фарад. У наш час досягнуті показники в 104 Ф/грам і 77 Ф/см³. Вуглецеві аерогелі відображають всього 0,3% випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 0,25 до 14,3 мкм, що робить їх ефективними поглиначами сонячного світла.

Кремнеземні аерогелі з оксиду алюмінію з домішками інших металів використовуються як каталізатори. На базі алюмооксидних аерогелей з добавками гадолінія і тербія в НАСА був розроблений детектор високошвидкісних зіткнень: в місці зіткнення частинки з поверхнею відбувається флюоресценція, інтенсивність якої залежить від швидкості зіткнення.

Використання[ред.ред. код]

Крім численних технічних застосувань, обумовлених перерахованими вище унікальними властивостями, аерогель знаменитий передусім використанням у проекті «Стардаст» як матеріал для пасток космічного пилу.

Оскільки показник заломлення аерогелей займає проміжне положення між показниками заломлення газоподібних і рідких (твердих) речовин, аерогель використовується як радіатор в черенковських детекторах заряджених частинок.

Аерогелі можуть використовуватися як газові та рідинні фільтри. Аерогель на основі окису заліза з алюмінієвими наночастинками може служити вибухівкою (розробка Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса, США).

На початку 2006 деякі компанії, наприклад, United Nuclear, заявили про початок продажу аерогеля організаціям і приватним особам. Залежно від розміру і форми зразка, ціна становить від $25 (фрагменти) до $125 (шматочок, що поміщається на долоні).

Є безліч застосувань, для яких аерогелей використовуються.

  • В комерційних цілях, аерогелі могли б бути використані в гранульованих формах для додавання ізоляції на вікна.
  • Прозорий аерогель діоксиду кремнію був би дуже придатним як теплоізоляційний матеріал для вікон, який істотно обмежує теплові втрати будівель. Одна група дослідників показала, що виробництво аерогелю в невагомому навколишньому середовищі може виробляти частки більшого однакового розміру і зменшити ефект релеєвського розсіювання у кремнезему аерогелю, в результаті чого аерогель менш синій і прозоріший.
  • Його велика площа поверхні призводить до численних можливестей, наприклад хімічна адсорбція для очищення розливів (див. адсорбції). Ця функція також дає великий потенціал як каталізатора або носія каталізатора.
  • Аерогель може використовуватися також як загусник в деяких фарбах і косметиці.
  • Аерогелі проходять випробування для використання в цілях NIF.
  • Додавання аерогелю може збільшити ефективність конкретних сумішей шляхом додавання домішок, зміцнення структур, і гібридизації сполук.
  • Комерційне виробництво аерогелю почалося близько 2000 року. Аерогелю діоксиду кремнію і волокнисто підкріплений, перетворює крихкий аерогелю в міцний, гнучкий матеріал. Механічні та термічні властивості продукту можуть бути змінені й засновані на виборі армуючих волокон, аерогелю матриці, і помутніння добавки, включених до складників.
  • NASA використовує аерогелю як пастки космічного пилу, частинок на борту космічного корабля Stardust. Частинки випаровуються при ударі з твердими тілами і проходять через гази, і може опинитися в пастці аерогелей. НАСА також використовується аерогель для теплоізоляції в марсоходах і космічних скафандрах.

ВМС США оцінює аерогелю білизну як пасивні тепловий захист для дайверів.

  • Аерогелі також використовуються в фізиці елементарних частинок, як радіатори в детекторах Черенкова. АКК системи детектор Belle, використовуваних в експерименті Belle на KEKB, є останнім прикладом такого використання. Придатність аерогелей визначається їх низьким показником заломлення, заповнюючи прогалину між газами і рідинами, і їх прозорістю та твердий стан, що робить їх зручнішими у використанні, ніж кріогенну рідину або стиснений газ. Їхня низька маса також вигідна для космічних польотів.
  • Резорцин — формальдегід аерогелей (полімери хімічно схожі на фенол формальдегідні смоли) в основному використовуються як прекурсори в виробництві вуглецевих аерогелей, або коли потрібні органічні діелектрики з великою поверхнею.
  • Перший житлове використання аерогелю як діелектрика в Технологічному інституті Джорджії's Solar Decathlon Будинок, де він використовується як діелектрик у напівпрозорому даху.
  • Метал-аерогелю нанокомпозитів можуть бути отримані шляхом просочення гідрогелю з розчином, що містить іони відповідного благородного або перехідного металів. Просякнутий гідрогелем і потім опромінениий гамма-променем, що призводить до опадів наночастинок металу. Такі композити можуть бути використані як каталізатори, датчики, для електромагнітного екранування, в утилізації відходів. Перспективним є використання каталізатором у паливних елементах.
  • Вуглецевий аерогель використовуються в будівництві малих електрохімічних суперконденсаторів. У зв'язку з великою площею поверхні аерогелю, ці конденсатори можуть бути 1/2000th до 1/5000th розмір аналогічним електролітичним конденсаторам. Аерогель суперконденсаторів може мати дуже низький опір в порівнянні з нормальними суперконденсаторами і може поглинути або виробити дуже високі пікові струми.
  • Dunlop недавно включив аерогель у форму своєї нової серії тенісних ракеток.
  • Chalcogels показали фільтр поглинання важкого металу, забруднювачів ртуті, свинцю і кадмію з води.
  • Аерогель використовується для введення в розлад надтекучого гелію-3.

Виноски[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]