Из состоит аэрогель. Аэрогель - необычное творение человеческих рук. Получение силиконового аэрогеля субкритической сушкой

Аэрогель – это чрезвычайно легкий материал с очень малой плотностью и низкой теплопроводностью. Он полупрозрачен, но при этом довольно тверд на ощупь. Обычно аэрогели изготавливают при помощи процесса сверхкритической сушки, поэтому для самостоятельного приготовления аэрогеля вам придется построить аппарат для такой сушки. Есть способы приготовления аэрогелей и без использования такого аппарата, но они менее надежны, и материал получается более плотным. В этой статье вы найдете информацию об обоих методах приготовления аэрогеля.

Шаги

Часть 1

Создание аппарата для сверхкритической сушки

Взгляните на схему аппарата для сверхкритической сушки, приведенную выше. Ниже вы найдете инструкции по самостоятельной сборке такого аппарата.

• Схема взята со следующей веб-страницы: http://www.aerogel.org/wp-content/uploads/2009/02/manuclave-design2.jpg

1. Плотно подсоедините к Т-образному разводу из несвариваемой нержавеющей стали две муфты и клапаны из нержавеющей стали марки 316 или 304. Диаметр развода должен составлять 1,9 см (3/4 дюйма).

   • К двум плечам Т-образного развода необходимо подсоединить трубчатые заглушки (затворы).
   • При желании, вместо одной из заглушек можно установить смотровое окошко.
   • Ко дну Т-образного развода подсоедините шаровую задвижку, использовав при этом уплотняющую втулку размером 6,35 мм (1/4 дюйма).
   • К верхнему выходу прикрутите детали в следующем порядке: уплотнительную втулку 1,2 см (1/2 дюйма), ниппель 1,2 см (1/2 дюйма), и крестообразный патрубок также диаметром 1,2 см (1/2 дюйма).

2. Завершите сборку верхней части аппарата. Остальные клапаны и датчики будут подсоединены к этому второму патрубку.

   • К верхнему выходу патрубка подсоедините биметаллический термометр.
   • К левому плечу патрубка присоедините ниппель 6,35 мм на 1,2 см (1/4 дюйма на 1/2 дюйма). Прикрепите к нему шаровой затвор.
   • К правому плечу патрубка подсоедините еще один ниппель 6,35 мм на 1,2 см (1/4 дюйма на 1/2 дюйма). К нему прикрепите развод диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма) с манометром на верхней и предохранительным пружинным клапаном на нижней ветке.
   • К меньшему отверстию развода присоедините ниппель 6,35 мм (1/4 дюйма) с игольчатым клапаном.

3. Используйте правильные материалы. Предпочтительнее использовать нержавеющую сталь, поскольку она чиста, прочна и слабо подвержена коррозии.

   • Можно установить датчики с латунной резьбой и клапаны из углеродистой стали.
   • Не используйте муфты из латуни или углеродистой стали, и не включайте в конструкцию никаких деталей из материала, не способного выдержать давление 15 МПа (около 2.000 фунтов на квадратный дюйм).

4. Подсоедините к аппарату для сверхкритической сушки баллон с диоксидом углерода. Соединение должно не иметь течей и обеспечивать свободное поступление жидкого диоксида углерода в аппарат.

   • Схема подобного соединения приведена на следующей веб-странице: http://www.aerogel.org/wp-content/uploads/2009/02/gastank-1.jpg
   • Подсоедините баллон в такой последовательности: переходник CGA320 с наружной резьбой, тефлоновая прокладка, впускной ниппель, впускная муфта, переходная муфта 6,35 мм (1/4 дюйма) с внутренней резьбой для быстрого отсоединения, переходная муфта 6,35 мм (1/4 дюйма) с внешней резьбой для быстрого отсоединения, шланг высокого давления диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма) с внутренней резьбой в оплетке.
   • Ко второму концу шланга высокого давления подсоедините переходную муфту 6,35 мм (1/4 дюйма) с внутренней резьбой и переходную муфту 6,35 мм (1/4 дюйма) с внешней резьбой для быстрого отсоединения.
   • Последнюю муфту подсоедините ко входному шариковому клапану аппарата для сушки. Теперь все соединено.

   Часть 2

   Получение силиконового аэрогеля

   1. Разбавьте концентрированный едкий аммиак (гидроксид аммония). Разведите 4,86 г, или 5,4 мл концентрированного едкого аммиака в 1000 мл воды в стеклянной либо пластиковой бутылке.

      • Пометьте эту бутылку надписью "водный раствор едкого аммиака". Раствор можно хранить при комнатной температуре в запечатанной бутылке для последующего использования.

   2. Приготовьте раствор тетраметоксисилана с метанолом. Смешайте 10,2 г (10 мл) тетраметоксисилана с 7,82 г (10 мл) метанола в стеклянном химическом стакане. Перемешайте раствор.

      • Пометьте этот раствор как "алкоксидный раствор", или просто "раствор А".
      • Учтите, что тетраметоксисилан непросто купить, поскольку компании, торгующие химическими реактивами, как правило неохотно продают их частным лицам. Если вам удалось найти компанию, готовую продать это вещество, удостоверьтесь, что оно имеет высокую степень чистоты и не содержит опасных примесей.

   3. Приготовьте раствор едкого аммиака с метанолом. Смешайте 5 г (5 мл) приготовленного ранее водного раствора едкого аммиака с 7,92 г (10 мл) метанола в еще одном чистом стеклянном стакане. Перемешайте раствор.

      • Обозначьте этот раствор как "каталитический раствор", или просто "раствор Б".

   4. Залейте каталитический раствор в приготовленный ранее алкоксидный. Осторожно перелейте каталитический (раствор Б) в алкоксидный раствор (раствор A) и размешайте их стеклянной палочкой до полного растворения.

      • Полученный раствор называют также "золем".

   5. Переместите золь в формы. Предварительно постелите на дно форм бумагу для выпечки на силиконовой основе. Подождите, пока золь не примет форму геля.

      • Придется подождать от 15 минут до 1 часа.
      • Можете залить также золь в мелкие цилиндрические пипетки. В этом случае после превращения раствора в гель вы сможете выдавить его из пипетки.
      • Тетраметоксисилан в данном методе играет роль источника окиси кремния. Вода приводит к полимеризации тетраметоксисилана, а метанол обемпечивает смешивание воды и тетраметоксисилана, чтобы они образовали одну фазу и смогли прореагировать друг с другом. Едкий аммиак ускоряет протекающую реакцию.

   6. Дайте гелю состариться. После того, как гель сформировался, положите его в метанол и оставьте там как минимум на 24 часа.

      Удалите воду. В течение недели по меньшей мере четыре раза меняйте метанол на свежий, на этанол чистотой более 99,5%, либо на ацетон.

      • В результате гель практически полностью очистится от воды.

   7. Высушите гель в аппарате для сверхкритической сушки. Поместите гель в камеру аппарата и напустите в нее диоксид углерода. При этом диоксид углерода разогреется и пройдет через свою критическую точку, 31,1 градус Цельсия и 72,9 бар, разогревшись примерно до 45 градусов Цельсия и достигнув давления около 100 бар.

      • При сверхкритической сушке метанол полностью выйдет из геля.
      • Сбросьте давление в камере аппарата со скоростью около 7 бар в час.
      • В результате процесса у вас получится аэрогель из оксида кремния.

   Часть 3

   Альтернативный процесс: субкритическая сушка

   1. Подготовьте аэрогель, как указано ранее. Получите аэрогель из оксида кремния как описано выше, приготовив вначале химические ингредиенты, а затем "золь", получив жидкий гель.

      Вымачивая гель в спирте либо ацетоне, очистите его от воды, как было описано выше. Меняйте этиловый спирт или ацетон по меньшей мере четыре раза на протяжении недели.

      Подготовьте раствор гексана и этанола. Смешайте одну часть гексана и три части этанола так, чтобы получить раствор с объемом по крайней мере в пять раз больше объема полученного ранее геля.

      • При желании вместо этанола можно использовать ацетон в тех же пропорциях.
      • Например, если вы получили 20 мл аэрогеля, необходимо приготовить раствор из 25 мл гексана и 75 мл этанола либо ацетона.
      • Отметьте емкость с приготовленным раствором как "раствор 25-75".

   2. Приготовьте два дополнительных раствора гексана и этанола. Во втором используйте эти две жидкости в равных пропорциях. В третьем перемешайте три части гексана с одной частью этанола.

      • Как и ранее, вместо этанола можно использовать ацетон.
      • Пометьте емкость со вторым раствором как "раствор 50-50", а емкость с третьим – как "раствор 75-25".

   3. Выдержите гель последовательно в трех растворах. В растворе 25-75 выдержите гель в течение 12-48 часов.

      • Затем поместите гель в раствор 50-50 и выдержите его там в течение того же времени, после чего положите гель в раствор 75-25 и выдержите там на протяжении 12-48 часов.

   4. Вымочите гель в гексане. Вымачивайте гель на протяжении 24-72 часов в чистом гексане, меняя его три раза.

   5. Приготовьте раствор триметилхлорсилана. Добавьте в гексан триметилхлорсилан так, чтобы он составлял 6% от общей массы раствора.

      • Приготовьте раствор в объеме, по меньшей мере в 15 раз превышающем объем полученного ранее геля.
      • Пометьте емкость с раствором как ТМХС.

   6. Опустите аэрогель в раствор триметилхлорсилана. Для этого сначала положите гель на дно плотно закрывающейся химически стойкой емкости с широким горлышком, затем налейте в нее достаточно раствора ТМХС, так чтобы его объем превысил объем вымачиваемого геля в 5-10 раз. Запечатайте емкость.

      • В случае стеклянной емкости смочите края ее крышки вакуумной силиконовой смазкой, иначе крышка может пристать к горлышку.

   7. Разогрейте и затем охладите сосуд с гелем. Нагрейте сосуд до 60 градусов Цельсия и выдержите его при этой температуре в течение 12-24 часов, пользуясь электрической плиткой. Перед заменой раствора ТМХС на свежий дайте ему остыть до комнатной температуры.

      • Повторите процедуру еще дважды.
   8. Работайте в хорошо проветриваемом помещении с хорошим освещением.
   9. Во время работы надевайте защитные очки. Пользуйтесь также одеждой с длинными рукавами и закрытой обувью.
   10. Не пытайтесь сэкономить на деталях аппарата, заменяя их на более дешевые.
   11. Посвятите работе достаточно времени. Не пытайтесь ускорить процесс, поскольку при этом возрастает вероятность опасной ошибки.
   12. Убедитесь, что все вентили и соединения надежны и герметичны, избегайте попадания на них органических растворителей. Так вы убережетесь от утечек диоксида углерода.
   13. Меняйте прокладки на новые после каждых 30-50 процессов, после окончания процесса плотно перекрывайте все вентили.
   14. Тетраметоксисилан является опасным веществом, способным нанести вред вашим легким и глазам, поэтому при работе с ним пользуйтесь защитными очками и марлевой повязкой либо респиратором.

   Что вам понадобится

   • Латексные либо резиновые перчатки
   • Защитные очки
   • Одежда с длинными рукавами
   • Закрытая обувь
   • Химический фартук

   Сверхкритическая сушка

   • 2 шаровых клапана среднего давления 6,35 мм (1/4 дюйма) из нержавеющей стали марки 316
   • 2 шестигранных ниппеля 1,2 см (1/2 дюйма) на входе и 6,35 мм (1/4 дюйма) на выходе, длиной 1,7 см (1-11/16 дюйма), из нержавеющей стали марки 316
   • Шестигранных ниппель 1,2 см (1/2 дюйма)
   • 2 шестигранных ниппеля 6,35 мм (1/4 дюйма)
   • Патрубок диаметром 1,2 см (1/2 дюйма) из нержавеющей стали марки 316
   • Патрубок диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма) из нержавеющей стали марки 316
   • Игольчатый клапан среднего давления с внутренней резьбой по обеим сторонам, диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма), из нержавеющей стали марки 316
   • Латунный предохранительный пружинный клапан с вытяжным кольцом для контроля и выходом в атмосферу, внешней резьбой, диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма)
   • Биметаллический термометр 1,2 см (1/2 дюйма) из нержавеющей стали марки 304 с внешней резьбой и бессмазочным циферблатом
   • Манометр на 0-20000 KПа, подсоединяемый сверху, с посадочным гнездом 6,36 мм (1/4 дюйма)
   • Нагреватель или фен
   • Лента для изоляции труб
   • Крестообразный патрубок
   • 9-килограммовый баллон с диоксидом углерода, клапаном и переходником CGA320

   Силиконовый аэрогель

   • Тетраметоксисилан
   • Метанол
   • Деминерализованная вода
   • 28-30 вес. % раствор едкого аммиака в воде
   • Этанол (возможно)
   • Ацетон (возможно)

   Получение силиконового аэрогеля субкритической сушкой

   • Подготовленный силиконовый гель
   • Чистый этанол либо ацетон
   • Гексан
   • Триметилхлорсилан (ТМХС)
   • Химически стойкая банка или бутылка с широким горлышком
   • Электроплита
   • Химическая вытяжка
   • Гексаметилдисилазан

Когда затраты на энергию увеличиваются, возрастает потребность в ее рациональном использовании. По оценкам, 40% используемой нами энергии расходуется на поддержание тепла в домах. Более 30% этой энергии уходит сквозь стены (в строительстве данный процесс называют тепловым мостом).

На основе разработанной NASA технологии, самым высокоизолирующим из существующих материалов, торговой маркой Thermablok был создан удивительный продукт, который может найти спрос в строительной индустрии. Аэрогель, который также называют «замороженным дымом», было сложно приспособить для широкого использования из-за его хрупкой структуры. Однако запатентованный Thermablok материал содержит уникальные волокна, которые позволяют ему сгибаться и сжиматься, но при этом сохранять свои удивительные изолирующие свойства.

Всего одна полоска аэрогеля (6,25мм x 38мм), проложенная вдоль каждого профиля до обшивки стены гипсокартоном, увеличивает изоляционную способность стен более чем на 40%, как установили ученые из Ок-Риджской лаборатории при Департаменте энергетики США.

Материал Thermablok был разработан исследовательской компанией Acoustiblok(R). Марк Нотстайн, руководящий научно-исследовательской работой, заявил: «Твердые тела, разумеется, лучше проводят тепло, чем воздух или вакуум. Таким образом, в стене на деревянных или металлических профилях именно профили участвуют в передаче тепла, механически соединяя две стороны стены. Термический анализ показывает, что профили являются точками проводимости. Поскольку на 95% аэрогель Thermablok(TM)состоит из воздуха, и располагается между профилем и гипсокартоном, он предотвращает механическое соприкосновение (тепловой мост).

NASA разрабатывало технологию изоляции аэрогелем в течение нескольких лет, применяя ее в космических шаттлах, скафандрах и для других передовых нужд, включая последнюю миссию на Марс. Эта технология – потенциальный прорыв в области рационального использования энергии и строительстве энергосберегающих зданий.

Президент и основатель Acoustiblok, Лахни Джонсон вдохновлен созданием нового продукта, который является продолжением уже созданного компанией экологически чистого продукта Acoustiblok. Джонсон гордится тем, что их компания выпускает продукты, не только безвредные для окружающей среды, но и энергосберегающие. «Возможности применения материала безграничны,» - говорит он, - « в традиционном строительстве, равно как и защищает частную жизнь благодаря своим акустическим свойствам».

Преимущества материала Thermablok:

• снижает затраты на энергию,
• полностью подлежит повторному использованию,
• не содержит веществ, разрушающих озоновый слой,
• более чем на 30% изготовлен из вторичного сырья,
• композитный материал, более чем на 95% состоящий из воздуха,
• водоотталкивающий, не подвержен влиянию влажности, плесени или воды,
• легко наклеивается,
• при пожаре легко гасится водой,
• экономичен,
• практически ничего не весит и не требует больших затрат при транспортировке,
• способствует звукоизоляции,
• долговечен, поскольку не реагирует с атмосферной влагой,
• сделан в США.

tvirian
Оригинал на Blogspot.

Я следовал инструкциям из рецепта с ТМОС (тетраметилортосиликат), который приведён на http://www.aerogel.org и успешно получил несколько кусочков аэрогеля в своей домашней мастерской.
Два момента вызвали наибольшую сложность: 1. Достать ТМОС или ТЭОС (ключевой химический ингредиент) и 2. Соорудить сверхкритическую сушильную камеру. Детали для камеры можно купить на http://www.mcmaster.com или у любого другого поставщика промышленных фитингов для труб. Вам также потребуется запас жидкой двуокиси углерода. Я использовал 20 фунтовый (9,1 кг) цилиндр, купленный в местном магазине сварочных материалов. Большую часть стоимости составил именно сам цилиндр, расходные материалы обошлось всего в $20 или $30. Возможно, вам удастся найти поставщика, у которого можно было бы арендовать цилиндр.

Достать ТМОС довольно сложно, поскольку поставщики химической продукции очень неохотно продают что-либо физическим лицам.

Процесс изготовления аэрогеля:

1. Смешайте ТМОС, метанол и гидроксид аммония. Вылейте смесь в формы и дайте гелю застыть.
2. Погрузите гель в метанол и подождите день, пока оставшаяся в геле вода растворится в метаноле.
3. Вылейте использованный метанол и замените его чистым. Подождите ещё день и повторите процесс. Так нужно будет сделать несколько раз в течение трёх дней.
4. Переместите гель сверхкритическую сушильную камеру и наполните её метанолом.
5. Добавьте жидкий диоксид углерода, откройте сливной вентиль камеры и слейте метанол. Убедитесь, что кусочки геля всё время находятся в жидком CO2.
6. Подождите день, пока метанол растворится в жидком CO2.
7. Откройте сливной вентиль и вылейте ещё немного метанола, растворившегося в CO2.
8. Повторите процедуру слива метанола, но убедитесь, что гель всё время остаётся погруженным в жидкий CO2. Пару раз в течение 2-3 дней повторите слив/замену CO2.
9. Поднимите температуру в камере, чтобы CO2 стал сверхкритическим . Медленно откройте отдушину, продолжая нагревать камеру, чтобы CO2 перешёл из сверхкритического в газообразное состояние. Медленно выпустите весь CO2 из камеры, после чего извлеките из неё готовый аэрогель.

Бывают ли материалы, на 90 процентов состоящие из воздуха? И при этом твердые, тепло- и звукоизолирующие, проводящие электричество и вообще способные найти себе применение сразу в нескольких отраслях промышленности? Читайте в очередной статье из нашего цикла «Пять стихий», который N+1 делает совместно с НИТУ «МИСиС», об аэрогелях - наноматериале, заполненном воздухом.

Свойства аэрогелей

На фото ниже представлен один из самых распространенных аэрогелей - из диоксида кремния. Его еще называют «голубым дымом» за красивый опалово-голубоватый оттенок. Внешне этот аэрогель выглядит как кусок льда, но на самом деле он удивительно легкий и твердый. И совершенно сухой. На ощупь похож на пенопласт, но никак не на желе или лед. Если уронить кусочек такого «дыма» на твердую поверхность, то он запрыгает, как надувной мячик, а звук будет похож на звон стеклянной елочной игрушки.

Существуют и другие аэрогели самых разных расцветок, но такие же невесомые. Какими свойствами обладает этот материал? Вот наиболее характерные:

очень низкая плотность (до 160 грамм на кубический метр), то есть в шесть раз легче воздуха;

крайне низкая теплопроводность (до 0,016 ватт на метр на кельвин), в 10 раз ниже, чем у дерева;

низкая скорость распространения звука (до 70 метров в секунду);

чрезвычайно низкий коэффициент преломления света (до 1.0002);

электрическая проводимость может меняться в широких пределах в зависимости от используемого материала.

Большинство аэрогелей легко ломаются руками, несмотря на свою твердость. То есть они хрупкие, но твердые - некоторые выдерживают без разрушения вес, превышающий собственный в 4000 раз.

Кирпич поддерживается эфемерным брусочком из диоксида кремния

Впрочем, уже созданы пластичные аэрогели, которые можно гнуть и по которым можно даже стучать молотком. Как раз такие материалы планируется использовать для утепления скафандров, создаваемых в рамках будущей марсианской экспедиции. И не только скафандров - производители одежды и туристического снаряжения уже сейчас активно экспериментируют с подобными материалами.

У аэрогелей есть еще один уникальный параметр - отношение площади полной поверхности к весу: до 3200 квадратных метров на грамм. Это означает, что если представить площадь всей поверхности в виде единой плоскости, то одного грамма этого материала хватит, чтобы покрыть половину футбольного поля! Как такое может быть? Все дело в структуре этого удивительного материала. Оказывается, что аэрогель - это почти сплошная «дырка от бублика»: сверхтонкие твердые стеночки толщиной всего в несколько нанометров (одна миллионная миллиметра) образуют сложный трехмерный лабиринт из пор и слоев. Сами поры имеют размеры от десятков до сотен нанометров и в обычных земных условиях заполнены воздухом - он заполняет 90-99 процентов объема материала. А при случае эти супергубки отлично заполняются и чем-то еще. Например, нефтью, разлитой по поверхности моря из-за аварии танкера. Кроме того, такая огромная площадь при столь малом весе замечательно подходит для создания ионисторов - суперконденсаторов с емкостью в сотни и тысячи фарад (емкость обычного конденсатора обычно измеряется микрофарадами). Возможно, именно они заменят в ближайшем будущем классические аккумуляторы. И не забудем про катализаторы, ведь в них площадь поверхности также играет решающую роль - от нее зависит эффективность воздействия катализатора на химическую реакцию.

Что такое гель

Итак, в основе уникальных свойств аэрогелей в первую очередь лежит их пространственная структура с крошечными открытыми порами. Материал стенок, безусловно, также имеет значение. Например, от него в значительной мере зависят механические свойства, а также электропроводность конкретного аэрогеля.

Но как на практике можно получить такие замысловатые полые «пузырики» с твердыми стенками? Ответ кроется в названии самого материала. Именно гели являются исходным материалом для создания аэрогелей. Те самые гели, влажные и тяжелые, вроде холодца. Всем известный желатин, между прочим, также подходит для создания этого наноматериала. Кстати, а что такое гель? На ощупь мы все хорошо представляем себе эту субстанцию, но что она представляет собой на микроуровне? Оказывается, любой гель состоит из двух компонентов с разными физическими свойствами: твердой фазы в виде непрерывной пористой пространственной структуры, пронизывающей весь образец, и жидкой фазы, заполняющей поры. Причем характерный размер твердой фазы - как раз десятки нанометров, ведь твердая фаза в гелях - это обычно конгломераты наночастиц или длинных макромолекул.

Типичный гель можно себе представить в виде поролоновой губки для мытья посуды, пропитанной жидкостью. Только поры в такой губке в сотни тысяч раз меньше, чем в той, что у нас на кухне. А что получится, если удалить всю жидкость из такой губки? Получится сухая губка с заполненными воздухом порами. Так ведь это и есть аэрогель! Выходит, что для получения этого материала достаточно просто высушить любой гель? К сожалению, нет. Практика показывает, что при испарении жидкой фазы гель начинает быстро уменьшаться в объеме и, в конце концов, мы получим маленький плотный комочек сухого вещества, а не желаемый пористый наноматериал со сверхмалой плотностью. Но почему поролоновая губка высыхает, не уменьшаясь в объеме, а ее гелевый аналог ведет себя совершенно по-другому? И как с этим бороться?

Собственно говоря, коренным отличием нашей модели с губкой от реального геля являются размеры пор: у губки они исчисляются миллиметрами, а у гелей – десятками нанометров, то есть разница составляет примерно пять порядков. Теперь представим себе, как происходит испарение жидкости из пор: в какой-то момент жидкость перестает полностью их заполнять, и появляется граница между жидкостью и парами этой жидкости, смешанными с воздухом. Как известно, на границе жидкости всегда действуют силы поверхностного натяжения, которые приводят к взаимодействию поверхности жидкости и стенок сосуда (в нашем случае стенок пор). Если стенки хорошо смачиваются, то поверхность жидкости приобретает вогнутую форму и на стенки действует сила, тянущая их внутрь сосуда. Величина этой силы, приходящаяся на единицу длины стенки поры вдоль границы жидкости, не зависит от радиуса поры. Но при этом в геле стенки этих пор в тысячи раз тоньше, чем в нашей губке. Получается, что прилагаемая к стенкам удельная сила в геле и в губке одна и та же, а вот толщина этих стенок и, соответственно, их механическая прочность - совсем разные. Не удивительно, что поры губки выдерживают высыхание наполняющей их жидкости, а поры геля - нет. Отсюда и «скукоживание» геля при высыхании - поверхность жидкости в порах просто ломает хрупкие стенки одну за другой по мере испарения, и в результате мы получаем сухой слипшийся комок из изломанных стенок, а не ажурную конструкцию, свойственную аэрогелям.

Как высушить гель

Каким образом можно удалить жидкость из хрупких пор геля, не разрушив его структуру? Решение было найдено еще в 1931 году американским ученым Самуэлем Кистлером (Samuel Stephens Kistler). По некоторым сведениям, он поспорил со своим коллегой, что первым сможет провести эту деликатную операцию, и выиграл спор. Идея Кистлера состояла в том, чтобы избавиться от поверхности жидкости и связанных с ней сил натяжения, раз уж именно поверхность и является причиной всех бед. Представим себе, что мы имеем запаянную стеклянную колбу, которая наполовину заполнена жидкостью. Через прозрачные стенки мы будем видеть границу жидкости и газа над ней. Теперь начнем нагревать колбу. Жидкость внутри будет испаряться, что приведет к повышению количества и давления пара над ее поверхностью. А также, естественно, и температуры этого пара. Если продолжать нагревание достаточно долго, то в определенный момент давление и температура внутри колбы достигнут такого уровня, что плотность пара сравняется с плотностью жидкости и граница между ними просто исчезнет. А сам пар и жидкость потеряют знакомые нам характеристики (например, жидкость станет сжимаемой) и превратятся в одно неразделимое целое. Вместе с поверхностью раздела фаз исчезнут и силы поверхностного натяжения. Такие температура и давление, при которых пар перестает отличаться от жидкости, а жидкость от пара, в термодинамике называются критическими и изображаются в качестве критической точки на фазовой диаграмме:

Для воды критическая температура и давление составляют 374 градуса Цельсия и 218 атмосфер соответственно. То есть, если мы повысим давление в камере с гелем на водной основе до 218 атмосфер и выше и затем поднимем температуру выше 374 градусов Цельсия, то какое-либо различие между паром и водой исчезнет - мы получим так называемую сверхкритическую жидкость . Внутри каждой поры геля окажется очень плотный пар или вода, что при таких условиях по сути одно и то же. Если теперь начать понижать давление до критического и ниже, сохраняя температуру выше критической, то этот плотный пар начнет постепенно выходить из геля без какой-либо конденсации. Затем можно начать понижать и температуру до тех пор, пока остатки пара не покинут гель и он не превратится в нужный нам сухой аэрогель, заполненный воздухом. Описанный процесс называется суперкритической сушкой и показан красной стрелкой.

Так как, по этому сценарию, в процессе превращения жидкости в пар не возникает границы раздела жидкой и газообразной сред, то не возникает и сил поверхностного натяжения внутри пор и они остаются целыми в процессе сушки. Зеленая стрелка обозначает сценарий сушки, когда жидкость превращается в пар обычным порядком. В этом случае мы имеем одновременное существование двух фазовых состояний, границу раздела и, соответственно, разрушение структуры геля. Синяя стрелка показывает, что возможен и третий путь, который называется сублимационной сушкой. По этому сценарию жидкость внутри пор сначала переводится в твердое состояние путем заморозки, а затем, при пониженном давлении, твердая фаза превращается в газообразную, минуя жидкую (и связанные с ней проблемы с поверхностным натяжением). На практике такой вариант действительно позволяет получать некоторые виды аэрогелей.

В реальной жизни прямое использование гелей на водной основе для изготовления аэрогелей очень неудобно из-за высоких критических температуры и давления воды. Поэтому до начала сушки обычно производится замещение первоначальной жидкой составляющей геля на более подходящую в смысле критической точки. Таким заместителем может выступать, например, метиловый спирт (критическая температура - 250 градусов Цельсия, критическое давление - 77 атмосфер). Именно спирты использовал Кистлер для получения аэрогелей со стенками из неорганических соединений. Для органики он рекомендовал сжиженный пропан в качестве жидкой составляющей геля при суперкритической сушке. Также находят применение ацетон и сжиженный углекислый газ. Вообще «рецептов» приготовления аэрогелей существует на настоящий день довольно много. В Интернете даже можно найти рекомендации по его изготовлению в домашних условиях.

В России исследованием аэрогелей занимаются сразу несколько научных центров, в том числе и Центр композитных материалов при НИТУ «МИСиС». Научный сотрудник Центра, кандидат физико-математических наук Федор Сенатов дал следующий комментарий относительно технологических возможностей применения сверхкритического состояния вещества: «Интересной и полезной особенностью вещества в сверхкритическом состоянии (флюид) является то, что с помощью него можно не только формировать пористость в геле, но и модифицировать сам материал, а также удалять из него ненужные примеси. Например, можно растворить в сверхкритическом флюиде лекарственное вещество и обработать этим флюидом полимерный гель. Когда флюид проникнет в гель, то принесет с собой и лекарство, которое останется в полимере после снижения давления и ухода флюида. Таким образом, получится аэроэгель, который можно использовать в медицине для ультрафильтрации биологических жидкостей с одновременным лекарственным действием.

Тем же способом можно удалять ненужные примеси из материала. Данный метод, получивший в литературе название сверхкритическая флюидная экстракция (СФЭ), достаточно давно используется как в лабораторных исследованиях, так и в промышленном производстве. Самым распространенным примером экстракции сверхкритическими флюидами является применение скСО 2 для декофеинизации кофе. Более чем сто тысяч тонн декофеинизированного кофе производится в мире ежегодно с применением скСО 2 ».

Оксиды металлов . Соответствующие аэрогели широко используются для изготовления катализаторов. Обычно в их состав входит оксид алюминия с добавкой никеля. NASA использует алюминиевый аэрогель с добавкой гадолиния и тербия для регистрации космических частиц сверхвысоких энергий. Дело в том, что эти аэрогели флуоресцируют при попадании в них таких частиц, что позволяет их регистрировать. Причем мощность излучения зависит от энергии частицы. Окраска аэрогелей на основе оксида металла варьирует в широких пределах.

Органические полимеры . Например, аэрогель из агар-агара, того самого, который добавляют во фруктовое желе. Другой органический материал - целлюлоза - используется для производства гибких аэрогелей.

Халькогены . К этой группе относятся: сера, селен, теллур и т.д.

Селенид кадмия . Аэрогель, изготовленный из этого материала, обладает полупроводниковыми свойствами.

Более того, свойства аэрогелей можно дополнительно изменять с помощью введения различных модифицирующих добавок в состав твердой фазы.

В настоящее время выделяют основные сегменты промышленности, в которых аэрогели нашли свое применение:

термоизоляция, шумоизоляция;

электроника;

химия;

медицина;

военные технологии;

энергетика;

сенсоры и инструменты;

космос;

потребительские товары;

биология;

фармацевтика;

охрана окружающей среды.

Себестоимость производства аэрогелей в последние годы снижается рекордными темпами, и уже сегодня любой желающий может купить относительно недорогие теплоизоляторы на основе гибкого аэрогеля, в том числе и в России. Ожидается, что объем рынка аэрогелей составит 2 миллиарда долларов к 2022 году. Широкое внедрение этого удивительного представителя наноматериалов - дело ближайшего будущего, так что не удивляйтесь, если через несколько лет вы приедете на переговоры в офис с прозрачными стенами из аэрогелевых стеклопакетов, и там вам предложат чай из воды, отфильтрованной в аэрогелевом фильтре, а звонить начальнику вы будете со смартфона, который питается от аэрогелевого суперконденсатора.

Сергей Петров

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.

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.