Аэрогель – сильный невидимка

 


Воздушный, способный противостоять пламени, а также ловить микрочастицы кометной пыли, как это делает перчаткой опытный бейсболист, аэрогель некогда считался одним из самых странных тел в мире. Этот «пенополистирол космической эры» был получен в химических лабораториях десятилетия назад, однако только недавно его начинают применять в утеплителях полярных костюмов, взрывчатых веществах и даже в технологиях хранения энергии.

Аэрогели относятся к самым легким в мире веществам и имеют самую низкую плотность упаковки молекул. Вплоть до 99 % его объема занимает воздух, а остальное это кварц, углерод, металлы и другие элементы. Некоторые составы выдерживают нагрузку, превышающую собственный вес почти в 2000 раз (если нагружать постепенно). Именно этот материал был выбран, когда НАСА решило захватить частицы хвоста кометы Wild 2, летящие в пространстве со скоростью 6 км в секунду. Это предусматривалось в рамках программы Stardust Mission. Жесткая сетка кварцевого аэрогеля оказалась способна захватывать крошечные (меньше песчинки) частицы, не повреждая их. В дополнение аппараты Mars Rover выстилались изнутри супертеплоизоляторами. Кварцевые и углеродистые аэрогели прекрасные теплоизоляторы, потому что они чрезвычайно пористы. Поры размером с микроскопические грибки образовывают лабиринт, через которые не проходят молекулы воздуха, а также звуковые волны. Поэтому кварцевый аэрогель может защитить руку человека от открытого пламени паяльной лампы, а также приглушить гул пламени.

Сейчас первенство в изобретении этого супервещества признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне, Калифорния. 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 гель в герметичной камере до тройной точки, где жидкость становится газом. Вместо испарения, которое вытягивает метанол из геля и приводит к его «сморщиванию», при достижении тройной точки растворитель уходит, а объем гена практически не ужимается. Выиграл Кистлер пари или нет, он изобрел первый «аэрогель» и в 1931 г. опубликовал в журнале Nature свои результаты. Химик 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.

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.

Проблема состоит в том, что для применения в окнах оптических приборах требуется высокая степень прозрачности. Штейнер (Steiner) с коллегами из Массачусетского технологического института провели эксперименты в условиях микрогравитации, чтобы посмотреть, поможет ли устранение конвекции и эффекта плавучести формировать гели на основе наночастиц, которые не рассеивают коротковолновую часть спектра, формируя таким образом более прозрачный аэрогель.

На Земле аэрогель может найти много других применений. Этот материал уже используется в качестве теплоизоляции в скафандрах аквалангистов. Также его предполагается использовать в качестве диэлектрика в конденсаторах. Новые конденсаторы будут хранить достаточно энергии для питания сотовых телефонов и запуска стартера автомобиля. Развитая поверхность углеродных аэрогелей позволяет хранить огромный заряд электричества – несравнимо больший по сравнению с традиционными батареями. Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса смогли создать аэрогель на основе окиси железа с алюминиевыми наночастицами, которые забирая у железа кислород, высвобождают огромное количество энергии. Подобная взрывчатка может найти применение в пиротехнике, а также в твердотопливных ускорителях ракет. Точно так же углеродистые аэрогели, пропитанные наночастицами драгоценных металлов, таких как платина, могли бы служить каталитическими конвертерами в автомобилях. При этом подходе расход редких металлов существенно экономится. При такой легковесности аэрогели могут брать на себя очень многое.


Источник: В мире науки