Аэрогель где используется: Что такое Аэрогель? Виды, производство, применение ☑️

самый легкий материал на Земле. Интервью с Н.В. Меньшутиной

Аэрогели представляют собой легкие высокопористые
материалы с уникальными свойствами. Благодаря низкой
плотности и теплопроводности, сочетающимся с высокой твердостью и
прозрачностью, аэрогели перспективны для изготовления
теплоизоляционных материалов, а также материалов для различных
медицинских целей. Как с помощью аэрогелей можно ловить
звездную пыль и останавливать кровотечения? Почему самая
эффективная теплоизоляция получается из аэрогелей и как ученые
смогли запустить такое производство? Что такое сверхкритическая
сушка? Рассказывает Наталья Васильевна
Меньшутина. 

Наталья Васильевна Меньшутина — профессор,
доктор технических наук, руководитель Международного центра
трансфера фармацевтических и биотехнологий Российского
химико-технологического университета имени Д.И.
Менделеева.

— Аэрогели называют застывшим дымом. Насколько эта
метафора справедлива? И что собой в действительности представляют
аэрогели?

— Да, действительно, аэрогель — это новый класс материалов,
которые иногда сравнивают с застывшим дымом, поскольку это
необыкновенно легкий материал с высокопористой структурой.
Плотность материала достигает трех килограмм на метр кубический.
А внутренняя поверхность — примерно тысячу квадратных метров на 1
грамм. То есть фактически, разворачивая один грамм аэрогеля, мы
можем покрыть футбольное поле.

За счет чего достигается такая пористая структура и большая
площадь внутренней поверхности? Аэрогель создается с помощью
золь-гель технологии получения пористых или монолитных химических
продуктов, а также сверхкритической сушки. Сверхкритическая сушка
— это процесс удаления жидкости точным и контролируемым способом,
совершенно новая технология, которая зародилась в конце ХХ века и
активно развивалась с 2000-х годов. В процессе создания аэрогеля
используется, как говорят специалисты, сверхкритический флюид.
Иногда его называют четвертым состоянием вещества.
Сверхкритические флюиды обладают свойствами как газа, так и
жидкости. Подобные смешанные свойства позволяют создавать
уникальные материалы, в том числе сохранять пористую структуру
при создании аэрогеля.

Отмечу, что при обычной тепловой сушке или любой другой обработке
материалов пористая структура как бы схлопывается. Вспомните
сушеную дольку яблока — она вся сморщенная за счет того, что при
тепловой обработке все поры, заполненные жидкостью, схлопываются.
Если же мы будем сушить кусочек яблока в сверхкритической сушке,
то оно останется таким же, как если бы мы его только что отрезали
от яблока.

Пористая структура аэрогеля образована молекулярными кластерами
или глобулами. Размер глобул составляет около четырех нанометров.
Если при создании аэрогелей используются полимеры природного
происхождения, то тогда мы получаем волокнистую структуру. В
аэрогелях поры имеют размер от 2 до 50 нанометров. Можно добиться
узкого распределения пор по размерам, что важно для решения
широкого спектра задач.

Итак, аэрогель — это необыкновенно пористый и легкий материал.

— На основе каких веществ создаются аэрогели?

— Существуют три типа аэрогелей. Первый тип — неорганические
аэрогели: аэрогели из диоксида кремния и аэрогели из оксидов
металлов (алюминия, титана, стронция). Иногда аэрогели создают
исключительно из металла, получая так называемую «металлическую
пену».

Второй тип — органические аэрогели, в том числе из полимеров.
Очень часто используются полисахариды, природные полимеры,
особенно при фармацевтическом производстве или для создания
материалов медицинского назначения. Существуют органические
аэрогели, созданные, например, из формальдегида. Они используются
в Германии для решения задач, связанных со строительством.

Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г

Источник: Courtesy NASA/JPL-Caltech / Wikipedia

И третий тип — это гибридные аэрогели, при создании которых
используют и органику, и неорганику. Например, аэрогели на основе
кремния со встроенными углеродными нанотрубками. При таком
сочетании мы получаем высокопористый материал с достаточно
жестким каркасом, который можно использовать для сорбции или
фильтрации различных газов и паров.

— Историю происхождения аэрогелей часто связывают с
Самюэлем Стивенсоном Кислером, который в 30-е годы опубликовал
статью в Nature, где представил
свою концепцию. Он потратил немало лет, чтобы найти некую
идеальную формулу. Чего удалось достичь последователям
ученого?

— Действительно, Кислер представил идею в 1931 году. Первые
производства появились в 40-х годах прошлого века в США. Это было
производство компании Monsanto Chemical Co. в Бостоне. Сушка
проводилась с использованием сверхкритических спиртов — крайне
опасных составляющих. Это и привело к  взрыву на предприятии
в 1984 году. Однако современная более безопасная реализация
процесса с использованием сверхкритического диоксида углерода
появилась только в 90-х годах. Таким образом, около 60 лет
научное сообщество искало эффективные и безопасные методы
производства аэрогелей. Технология была и остается достаточно
сложной. Первое время ученые не понимали, что собой представляют
сверхкритические флюиды и как с ними работать.

Сегодня аэрогели производят в США (компания Aspen), в Германии и
Китае. Кстати, американские и китайские коллеги судятся и по
этому вопросу, поскольку Китай, очевидно, использует американские
патенты.

Наша страна пошла своим путем. Отечественное опытное производство
запустилось на заводе в городе Щелково с помощью
Минпромторга. Сегодня там выпускают до 10 тысяч м²/год
аэрогеля в виде рулонов. Поскольку материал очень легкий, то и
производство достаточно большое.

— Где применяются аэрогели?

— Чаще всего аэрогели используются в качестве теплоизоляции.
Теплоизолирующие свойства аэрогелей очень высоки, постольку
материал заполнен воздухом, который плохо проводит тепло. К тому
же воздух хороший диэлектрик.

Наиболее актуальный пример — теплоизоляция газопровода на
территории Европы. Чтобы сохранить температуру газа, трубопровод
оборачивают американским аэрогелем. Пока аэрогели можно считать
дорогостоящим материалом. Но я надеюсь, что российские
предприниматели будут активней покупать отечественные аэрогели, а
наше производство заработает в полную силу для обеспечения рынка.

Помимо этого, аэрогели можно использовать как подложку для
катализаторов. Это направление активно развивает Институт
катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской
академии наук в Новосибирске. Пористая структура аэрогеля
позволяет улавливать или сорбировать различные частицы и газы.
Так, специалисты из Института катализа создали ловушки для
космической пыли в рамках американского космического проекта.

Например, мои коллеги из Гамбургского технического университета
создали фильтры для самолетов компании Airbus. Забавный
факт: в основном воздух в салонах самолетов очищается от
спиртовых паров.

На сегодняшний день аэрогели пытаются использовать для
медицинских и фармацевтических целей. В фармацевтике аэрогели
применяются для создания системы доставки лекарственных
препаратов, особенно труднорастворимых. Один из проектов, который
сейчас реализуется под руководством ректора РХТУ Александра
Георгиевича Мажуги, связан с доставкой лекарственных препаратов в
мозг. Мы создаем ингаляторную форму — это фактически сухой
аэрогель в виде спрея. Активное вещество осаждается в носоглотке
и постепенно доходит до мозга. Этот вариант доставки лекарств
активно исследуется как в нашей стране, так и в Китае, и в других
странах.

Также совместно с нашими коллегами мы сделали аэрогель для
остановки массивных артериальных и венозных кровотечений. Суть
метода в том, что аэрогель помещается в рану, и, в отличие от
существующих средств, он не обжигает ткани и не проникает в
кровяное русло. Создается сгусток крови, после чего кровотечение
останавливается (при определенных методиках) буквально за одну
минуту. Очень надеюсь, что в этом году начнется производство.

— То, что вы рассказали очень впечатляет. Словно это
какая-то химическая магия: зная свойства определенных материалов,
можно достичь таких интересных результатов.

— Я бы сказала: химическая и технологическая магия. Все-таки
современные технологии не менее важны. Как и специалисты. Молодые
ученые, которые со мной работают, — хорошие технологи; они
понимают, как те или иные методики будут представлены
непосредственно на производстве. В нашей работе чрезвычайно важно
перенести знания из пробирки на завод, осуществить качественный
трансфер технологии: из лаборатории — в промышленность.

Проведение реакций или сверхкритическая сушка в малом объеме —
это один момент. Но когда мы переходим на большие производства —
там всё по-другому. Мои сотрудники и студенты моделируют,
проводят расчеты и выдают необходимые данные для проектирования.
А при закупке оборудования мы осуществляем пуск и наладку
техники. Поэтому для нас значим не только химический, но и
технологический аспекты.

— Насколько быстрым может быть переход от пробирки до
промышленных образцов?

— Если говорить о материалах, которые останавливают массивные
венозные и артериальные кровотечения, — аэрогелях на основе
хитозана, то только наработка партий и испытания на животных
заняли два года. Сейчас продолжается процедура регистрации и идет
планировка завода.

В целом, когда речь идет о материалах для медицины, появляется
новая, непривычная для нас стадия — стерилизация. Сейчас мы ищем
места, где сможем ее осуществлять. Планируется, что к лету 2022
года мы уже откроем производство. В нашем случае выход на
производственный уровень занял около 5 лет.

— Это привычное время, или все зависит от условий и
материалов, которые в конечном итоге будут создаваться?

— Считается, что, если ты в десять лет уложился, это уже хорошо.
Поэтому да, это достаточно быстро. Плюс ко всему, это уже второе
наше производство. Опыт, полученный ранее, ускорил процесс.

— Когда говорят об аэрогелях, упоминают, что, возможно, в
будущем они станут новой пластмассой. Насколько это
реально?

— Я в первую очередь инженер-технолог. Поэтому станут ли они
новой пластмассой — сложный для меня вопрос. Тем не менее, уже во
многих странах научились использовать аэрогели в самых разных
сферах. Прямо сейчас изучаются способы создания аэрогелей из
белков — белков яиц, козеина, молока. То есть речь идет о попытке
внедрения аэрогелей в пищевую промышленность.

В США, например, сделали прекрасные куртки, заменив пух
аэрогелями. Это очень интересное направление, которое, в
дальнейшем, может прийти и в Россию.

— В каких направлениях развивается Центр трансфера
фармацевтических и биотехнологий РХТУ?

— Поскольку Центр представляет собой подразделение университета,
то большое внимание уделяется обучению студентов и их научной
работе. Я начинаю читать лекции на первом курсе — «Введение в
специальность», а уже на втором — ребята приходят к нам и
начинают работать над собственными проектами в лабораториях. И
это, конечно, очень хорошо, поскольку студент сразу реализует
собственные идеи. Он учится читать литературу на английском
языке, находить интересные данные и проводить научные
исследования.

Нам удалось открыть две новые магистерские специальности:
«Цифровые технологии для фармацевтических производств» и
«Современные процессы и аппараты химических производств».
Фармацевтическое направление сегодня особенно актуально, ведь оно
обеспечивает наше здоровье. При этом на фармацевтических
производствах, в отличие от большой химии, очень мало
автоматизации. Ведь во многом фармацевтика вышла из первых аптек.
Она всегда была очень закрытой. И даже сегодня зачастую на
фармацевтическое производство попросту не пускают тех, кто мог бы
помочь реализовать процессы автоматизации. Считаю, что сегодня
очень важно подготовить специалистов, которые смогут, работая на
фармпроизводствах, автоматизировать его и осуществить переход от
маленьких партий к большим масштабам. И современная цифровизация
очень важна для фармпроизводств.

Прямо сейчас мы пытаемся пройти лицензирование программы
«Промышленная фармация». Если все пройдет хорошо, то в следующем
году в РХТУ откроется еще одна образовательная программа.
Студенты — это наше будущее — ученые, производственники, и очень
важно, чтобы они получили качественное образование.

— Когда и как вы заинтересовались тематикой химических
технологий и аэрогелей?

— Научная работа меня интересовала всегда. Во многом, этот
интерес появился благодаря отцу, который в свое время создавал
твердое и жидкое ракетное топливо. Я не боюсь больших заводов.

И всегда говорю: если химия — это игра маленькой изящной
дудочке, то большая химия — это рок-концерт, где всё гремит,
где участвует множество различных музыкальных инструментов и
так далее. Но этого «грохота» не надо бояться.

Если говорить об аэрогелях, то я заинтересовалась этой тематикой
лет 12 назад. В университет ее привнес академик Алексей
Михайлович Егоров. Он сказал: «Посмотри, какие интересные
материалы. Попробуй сделать». Я пригласила выпускников МГУ
(химиков) в аспирантуру, и они развивали это направление в РХТУ.
Сейчас один из них — Павел Гуриков — профессор Гамбургского
университета.

— Сотрудничаете ли вы с иностранными коллегами в рамках
этой тематики?

— Конечно, у нас очень тесная кооперация. В новых условиях она
несколько изменилась, и нам пока не удается приезжать друг к
другу, но общение остается. Существует целое «аэрогельное»
сообщество, состоящее из американских, европейских и китайских
специалистов.  Поскольку у меня собственная ниша
(фармацевтическая и медицинская), несколько недель назад я читала
лекцию для Гамбургского университета. Мы с коллегами пришли к
выводу, что у России могут быть лидирующие позиции в этом
направлении. В первую очередь потому, что у нас хорошие
возможности для проведения доклинических исследований. В той же
Германии очень сложно получить разрешение на доклинику. У нас же
в стране это сделать немного проще.

У нас действительно сплоченный «аэрогельный» коллектив, и очень
жалко, что мы давно не встречались.

— Будем надеяться, что скоро всё вернется на круги своя.
Что бы вы пожелали студентам и ребятам, которые в этом году
поступят к вам на первый курс? Какое из
направлений по тематике аэрогелей им выбрать?

— Если говорить о направлении аэрогелей, то интересных
направлений очень много. Уверена, что каждый найдет свое. И,
конечно, молодежь сегодня такая, что она сама создает что-то
новое. Увлеченные ребята разрушают стереотипы и привносят в
аэрогельную тематику что-то, о чем я даже и не думала.

Что бы я пожелала молодым ребятам? Быть фанатом науки!

Аэрогель | это.

.. Что такое Аэрогель?

Блок аэрогеля в руке

Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г

Аэроге́ли (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Структура

Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 % объёма. Как правило, этот процент достигает 90—99, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м³. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.

История

Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшего в 1931 году в журнале Nature свои результаты.

Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240 °C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не ужимаясь.

Свойства

Аэрогели — хорошие теплоизоляторы

На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. Аэрогели, в особенности кварцевые — хорошие теплоизоляторы. Они также очень гигроскопичны.

По внешнему виду аэрогели полупрозрачны. За счёт релеевского рассеяния света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем.

Виды аэрогелей

Наиболее распространены кварцевые аэрогели, по плотности среди твердых тел они уступают лишь металлическим микрорешёткам чья плотность может достигать — 0,9 кг/м³, что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей — 1 кг/м³. В воздушной среде при нормальных условиях плотность такой металлической микрорешётки равна 1,9 кг/м³ за счёт внутрирешёточного воздуха. Это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха. Кварцевые аэрогели пропускают свет в мягком ультрафиолете и видимой области (с длиной волны больше 300 нм) и инфракрасном диапазоне, однако в инфракрасной области присутствуют типичные для кварца, получаемого обезвоживанием силикагелей, полосы гидроксила при 3500 см⁻¹ и 1600 см^−1[1]. Благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (~0,017 Вт/(м·К) в воздухе при атмосферном давлении),^[2], меньшей, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м·К)), они применяются в строительстве в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов. Температура плавления кварцевого аэрогеля составляет 1200 °C.

Углеродные аэрогели состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом. Они электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторах. За счет очень большой площади внутренней поверхности (до 800 м²/грамм) углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов (ионисторов) емкостью в тысячи фарад. В настоящее время достигнуты показатели в 10⁴ Ф/грамм и 77 Ф/см³. Углеродные аэрогели отражают всего 0,3 % излучения в диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм, что делает их эффективными поглотителями солнечного света.

Глинозёмные аэрогели из оксида алюминия с добавками других металлов используются в качестве катализаторов. На базе алюмооксидных аэрогелей с добавками гадолиния и тербия в НАСА был разработан детектор высокоскоростных соударений: в месте столкновения частицы с поверхностью происходит флюоресценция, интенсивность которой зависит от скорости соударения.

Использование

132 ячейки с аэрогелем аппарата Стардаст (NASA)

Помимо многочисленных технических применений, обусловленных вышеперечисленными уникальными свойствами, аэрогель знаменит прежде всего использованием в проекте «Стардаст» в качестве материала для ловушек космической пыли.

Поскольку показатель преломления аэрогелей занимает промежуточное положение между показателями преломления газообразных и жидких (твёрдых) веществ, аэрогель используется как радиатор в черенковских детекторах заряженных частиц.

Аэрогели могут использоваться в качестве газовых и жидкостных фильтров.

Аэрогель на основе оксида железа с алюминиевыми наночастицами может служить взрывчаткой (разработка Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, США).

В начале 2006 некоторые компании, например, United Nuclear^[3], заявили о начале продаж аэрогеля организациям и частным лицам. В зависимости от размера и формы образца, цена составляет от $25 (фрагменты) до $125 (кусочек, помещающийся на ладони).

См. также

• Пенометалл
• Металлическая микрорешётка — 0,9 кг/м³
• Аэрографит (англ.) — 0,2 кг/м³

Примечания

1. ↑ Optical properties of Silica aerogels // Enviromental Technology Division of E.O. Lawrence Berkeley National Laboratory
2. ↑ Thermal properties of Silica aerogels // Enviromental Technology Division of E.O. Lawrence Berkeley National Laboratory
3. ↑ Официальный сайт United Nuclear

Ссылки

• Часто задаваемые вопросы об аэрогеле (проект «Стардаст»)  (англ.)
• Тепловые свойства кремниевого аэрогеля  (англ.)
• Научный блог, посвящённый аэрогелю и всему, что с ним связано  (англ. )

Футуристический материал, которому препятствуют ограничения реального мира

Аэрогель — это материал, который озадачил научное сообщество из-за его впечатляющих физических и химических свойств. Аэрогель — это твердый материал, обладающий уникальными характеристиками по сравнению с другими твердыми телами.

Эта часть вызывает любопытство у всех, кто интересуется аэрогелями. Самым легким твердым телом, когда-либо созданным на Земле, является аэрогель.

На 97% состоит из воздуха, сохраняя при этом структурные свойства твердого тела.

СВЯЗАННЫЙ: АЭРОГЕЛЬ ТЕПЕРЬ МОЖЕТ БЫТЬ ИЗ МАКУЛАТУРНОЙ БУМАГИ

Термин «аэрогель» состоит из двух слов: «воздух» и «гель». И у этого имени есть история!

Аэрогель был изобретен Сэмюэлем Стивенсом Кистлером. Сэмюэл был очарован желе из-за его двойственной природы: действовать как в твердом, так и в жидком состоянии.

Причина, по которой желе обладает свойствами жидкости и твердого вещества, заключается в том, что оно представляет собой комбинацию обоих. Пористая структура желатина удерживает внутри себя воду, создавая псевдовещество.

Сэмюэл задался вопросом, что произойдет, если он заменит воду воздухом. Однако, если гель просто высушить, он сожмет твердую структуру, что приведет к трещинам.

Он понял, что высокомикропористая структура геля разрушается из-за высоких сил поверхностного натяжения, создаваемых жидкостью. Поэтому он искал альтернативные способы удаления жидкости, не повреждая твердую структуру.
И ему пришла в голову идея заменить воду спиртом.

При переходе спирта в сверхкритическое состояние он переходит в состояние между газом и жидкостью и не имеет поверхностного натяжения. Твердая микропористая структура была изготовлена ​​с использованием кремнезема.

Когда спирт испарился, образовался первый аэрогель. Проще говоря, аэрогель производится путем удаления воды или растворителя из студенистой структуры.

Физические свойства аэрогеля

Причина, по которой аэрогель выглядит полупрозрачным, заключается в том, что большая часть материала состоит из воздуха. Это также объясняет его очень низкую плотность.

Это самые легкие твердые тела на Земле, и даже шестифутовый блок аэрогеля размером с человека будет весить всего около одного фунта. Мировой рекорд Гиннеса как самый легкий 3D-печатный материал — графеновый аэрогель, напечатанный Донг Линем.

Аэрогель обладает и другими уникальными физическими свойствами, одним из которых является невероятная теплоизоляция (0,023 Вт/мК при 100°C).

Аэрогель также обладает превосходными акустическими свойствами, звукоизоляция от 10 до 1000 раз лучше, чем у полиуретановых форм.

Поскольку структура состоит всего из 3% твердого вещества, аэрогель очень хрупок. Двумя основными твердыми материалами, используемыми для приготовления аэрогеля, являются кремнезем и углерод.

Самый популярный

Как мы уже говорили, аэрогель производится путем удаления воды/растворителя из геля и замены его воздухом. В современном методе производства аэрогеля используется процесс, называемый золь-гель.

Новый производственный процесс был разработан в 1983 году Арлоном Хантом и компанией Microstructured Materials Group. Они использовали ТЭОС или тетраэтилортосиликат при производстве аэрогеля, что намного безопаснее, чем метод ТМОС, который использовался до этого.

Еще одной разработкой стало использование жидкой двуокиси углерода, которая заменила использование спирта в качестве основного растворителя. Использование TMOS и спирта в продукте Airgel сделало его очень опасным процессом.

У нас есть яркий пример их разрушительного характера в виде взрыва, уничтожившего завод по производству аэрогеля в Швеции.

Новый производственный процесс дает такой же выход, что и ТМОС, но без опасностей.

Физические характеристики аэрогеля сделали его одним из наиболее изученных искусственных материалов. В настоящее время вы можете найти аэрогель в косметике, красках, гидрокостюмах и т. д.

Однако с момента их изобретения их использование в аэрокосмической промышленности только расширилось. Аэрогель даже использовался для улавливания комет и межзвездной пыли в миссии NASA Stardust.

Источник: Фотограф НАСА Мария Гарсия 1997

Этот уникальный материал использовался в качестве изоляционного материала, который согревал Марсоход Mars Exploration Rover во время его миссии.

Одним из современных применений аэрогеля является его использование в качестве изоляционного материала для зданий.

Окна с аэрогелем — это новая технология, при которой аэрогель помещается между двумя листами стекла. Они легче трехслойных стекол и обладают гораздо лучшими изоляционными свойствами.

Одним из современных применений аэрогеля является его использование в качестве изоляционного материала для зданий. Домашняя изоляция Airgel включает в себя такие продукты, как одеяла Airgel и листы Airgel.

Новое изобретение, названное хлопковым аэрогелем, в настоящее время произвело фурор в нескольких отраслях промышленности. Хлопковый аэрогель можно использовать в качестве изоляционного материала, который может заменить обычные громоздкие куртки.

Неожиданным применением является использование хлопкового аэрогеля в качестве устройства для остановки кровотечения. Материал можно ввести в кровоточащую рану, и он расширится, оказывая давление на рану, останавливая кровотечение.

Контроллеры выпуска воздуха из хлопкового аэрогеля были разработаны исследователями NUS.

Судя по его применению, вы, должно быть, заметили, что промышленность использует аэрогель из-за его изоляционных свойств. Как аэрогель становится таким хорошим изолятором?

Аэрогель состоит из двух частей – силикагеля и воздуха. Твердые частицы кремнезема не являются хорошими проводниками тепла и составляют всего 3% всего материала. Остальное воздух.

При рассмотрении свойств воздуха становится ясно, что у воздуха очень низкая теплопроводность. Такие факторы делают аэрогель очень легким, что делает невозможной массовую проводимость.

Во-вторых, аэрогель имеет очень маленькие поры, обычно диаметром от 2 до 50 нм. Эти поры настолько малы, что воздуху трудно диффундировать через материал и передавать конвективное тепло.

Это явление, известное как «эффект Кнудсена», отделяет аэрогели от пеноматериалов других типов.

Однако важно отметить, что аэрогели не обязательно являются эффективными изоляторами, когда речь идет о радиационном тепле. Возможна передача тепла через аэрогели при высоких температурах за счет инфракрасной энергии.

Чтобы противостоять этому, многие коммерческие изоляционные материалы на основе аэрогеля содержат дополнительные материалы. Они известны как ИК-глушители для отражения или поглощения инфракрасного излучения.

Что касается электричества, аэрогель может быть проводящим или непроводящим в зависимости от используемых твердых веществ. Аэрогели, изготовленные из поли(3,4-тилендиокситиофена): поли(4-стиролсульфоната) (PEDOT:PSS), обычно являются проводящими.

Твердый аэрогель, наполненный углеродными нанотрубками и некоторыми другими добавками, значительно превосходит обычную звукоизоляцию.

Является ли аэрогель водонепроницаемым?

Опять же, такие характеристики зависят от твердых веществ, используемых в аэрогеле. Изменяя твердые структуры и добавки, можно изменить свойства аэрогеля. Например, промышленные аэрогелевые материалы на основе диоксида кремния специально разработаны таким образом, чтобы они были гидрофобными (водоотталкивающими).

Аэрогели на основе оксидов не являются водонепроницаемыми. Однако их можно легко модифицировать, чтобы сделать водостойкими с помощью добавок.

Мы долго обсуждали удивительные свойства аэрогеля и то, как он может быть нам полезен во многих отношениях. Сын, почему технология еще не получила широкого распространения?

Для этого есть несколько причин. Во-первых, это тот факт, что аэрогель очень сложно производить, даже с учетом достижений, которые у нас есть в плане его производства.

Самая большая панель из аэрогеля, которую удалось произвести в отрасли, представляла собой панель размером 90×90 см. А такой размер возможен только благодаря высокоразвитым машинам.

Если вы ищете аэрогели для покупки, максимальная спецификация, которую вы можете найти, это 30×30см. Специальные заказы должны быть размещены, если вам нужны большие размеры.

Цена – еще один фактор, который мешает многим использовать аэрогель или экспериментировать с ним. Дорогостоящий производственный процесс приводит к тому, что эти затраты перекладываются на покупателей.

В результате кремнеземный аэрогель размером 2,5 см x 2,5 см x 1,0 см стоит более 50 долларов.

Одной из основных проблем, с которыми сталкивается индустрия аэрогелей, является хрупкость твердого тела. Не заблуждайтесь, материал прочный и может выдержать во много раз больше своего веса.

Однако материал плохо выдерживает растяжение.

Происходит продвижение в направлении упрощения процесса производства аэрогеля и улучшения его структурной целостности. Как только эти ограничения будут устранены, Airgel получит доступ к большему количеству людей и продуктов.

Отсутствие отраслей, занимающихся производством аэрогелей, также является еще одной причиной, по которой аэрогели не так популярны.

Аэрогель, несомненно, является одним из изобретенных нами чудо-материалов. Этот материал обладает огромным потенциалом во многих формах и комбинациях.

СВЯЗАННЫЕ: 9 ИНТЕРЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ, КОТОРЫЕ МОГУТ ИЗМЕНИТЬ БУДУЩЕЕ

Мы можем ожидать, что ограничения, связанные с аэрогелями, скоро снимутся. Это снизит стоимость этого уникального материала и повысит производительность.

Поскольку область применения аэрогеля продолжает расти, все больше компаний, вероятно, будут инвестировать в производство аэрогеля. В конечном итоге это улучшит технологию и поможет материалу стать массовым.

Для вас

наука

Ученые из Трирского университета и Института эволюционной биологии им. Макса Планка сообщили, что купленные в магазине чайные пакетики содержат огромное количество ДНК насекомых из окружающей среды.

Дина Тереза ​​| 31.07.2022

инновацииPhantom Space: новая ракета-стартап заявляет, что ее запуск будет стоить вдвое меньше, чем у SpaceX

Крис Янг| 20.09.2022

инновация Этот чип может значительно повысить вычислительную мощность автономных автомобилей и сэкономить энергию

Дина Тереза ​​| 02.11.2022

More Stories

Наука
Впервые исследователи обнаружили редкий минерал, происходящий непосредственно из нижней мантии Земли

Сад Агард| 28.11.2022

инновации
Научно-фантастические космические лифты могут стать реальностью в «следующие 2-3 десятилетия»

Крис Янг| 29.11.2022

культура
Украинский беспилотник обнаружил кладбище танков на границе с Россией

Амейя Палежа| 24. 11.2022

Аэрогель — Энциклопедия Нового Света

Кирпич весом 2,5 кг поддерживается куском аэрогеля весом всего два грамма.

Аэрогель представляет собой твердотельный материал низкой плотности, полученный из геля, в котором жидкий компонент геля заменен газом. В результате получается высокопористое твердое вещество с чрезвычайно низкой плотностью, обладающее несколькими замечательными свойствами, в первую очередь его эффективностью в качестве изолятора. Он получил прозвище замороженный дым из-за его полупрозрачной природы и того, как свет рассеивается в материале. На ощупь напоминает пенополистирол (пенополистирол).

Содержание

• 1 Производство
• 2 Свойства
• 3 вида аэрогелей
  • 3.1 Кремнеземный аэрогель
  • 3.2 Углеродные аэрогели
  • 3.3 Аэрогели оксида алюминия
  • 3.4 Прочие аэрогели
• 4 варианта использования
• 5 См. также
• 6 Примечания
• 7 Каталожные номера
• 8 Внешние ссылки
• 9 кредитов

Питер Цоу из Лаборатории реактивного движения НАСА держит образец аэрогеля.

Аэрогели можно использовать для различных целей. Некоторые из них хороши для теплоизоляции и очистки разливов химикатов. Другие, при соответствующей подготовке, предлагают полезную систему доставки лекарств для лечения. Углеродные аэрогели используются в производстве небольших электрохимических двухслойных суперконденсаторов. Некоторые аэрогели были включены в ракетки для тенниса и сквоша. В освоении космоса аэрогелевые материалы использовались для улавливания космической пыли. Благодаря добавлению в аэрогели присадок, армирующих структур и гибридизирующих соединений диапазон их применения значительно расширился.

Производство

Общий метод производства аэрогеля включает извлечение жидкого компонента геля методом, известным как сверхкритическая сушка . В этом методе жидкость доводят до «сверхкритического» состояния, а затем вытягивают из твердой матрицы геля. (Когда вещество находится в сверхкритическом состоянии, различие между его жидкой и газовой фазами перестает действовать.) Этот метод предотвращает разрушение твердой матрицы, как это происходит при обычном испарении.

Аэрогель был впервые создан Сэмюэлем Стивенсом Кистлером в 1931 году в результате спора с Чарльзом Лернедом о том, кто сможет заменить жидкость внутри банки с вареньем (желе) газом, не вызывая усадки. ^{[1] [2]} Компания Kistler произвела первый аэрогель из коллоидной формы силикагеля. Его более поздняя работа включала производство аэрогелей из оксида алюминия, оксида хрома (III) и оксида олова. Углеродные аэрогели были впервые разработаны в начале 1990-х годов. ^[3]

Силикагельный аэрогель можно изготовить путем сушки (в экстремальных условиях) гидрогеля, состоящего из коллоидного кремнезема, с водой в качестве дисперсионной среды. В качестве альтернативы процесс можно начать путем смешивания жидкого спирта (например, этанола) с предшественником алкоксида кремния с образованием «алкогеля». Затем спирт можно заменить жидким ацетоном (с учетом лучшего градиента смешиваемости), а затем жидким диоксидом углерода, который затем доводят до критической точки. Вариант этого процесса включает прямую подачу сверхкритического диоксида углерода в сосуд высокого давления, содержащий аэрогель. Конечный результат удаляет всю жидкость из геля и заменяет ее газом, не позволяя структуре геля разрушиться или потерять объем.

Аэрогелевые композиты изготавливаются с использованием различных непрерывных и прерывистых армирующих материалов. Высокое соотношение сторон волокон, таких как стекловолокно, использовалось для армирования композитов аэрогеля со значительно улучшенными механическими свойствами.

Резорциноформальдегидный аэрогель (РФ-аэрогель) представляет собой полимер, химически сходный с фенолформальдегидной смолой. Он производится аналогично производству кремнеземного аэрогеля.

Углеродный аэрогель получают пиролизом резорциноформальдегидного аэрогеля в атмосфере инертного газа с получением углеродной матрицы. Он коммерчески доступен в виде твердых форм, порошков или композитной бумаги.

Свойства

Демонстрация изоляционных свойств аэрогеля.

Кистлер назвал аэрогель , потому что он получил его из силикагеля. Однако аэрогель является сухим материалом и по своим физическим свойствам не похож на гель. Он получил прозвище замороженный дым , ^[4] сплошной дым или синий дым из-за его полупрозрачной природы и того, как свет рассеивается в материале. На ощупь аэрогель похож на легкую, но жесткую пену, что-то среднее между пенополистиролом и зеленой цветочной пеной, используемой для аранжировки цветов. Мягкое нажатие на аэрогель обычно не оставляет следов, но более сильное нажатие оставляет постоянную ямочку. Достаточно сильное нажатие приведет к катастрофическому разрушению разреженной структуры, в результате чего она разобьется, как стекло — свойство, известное как 9.0212 рыхлость.

Несмотря на то, что аэрогель склонен к разрушению, его структура очень прочна. Его впечатляющие несущие способности обусловлены дендритной микроструктурой, в которой сферические частицы среднего размера 2-5 нанометров (нм) сплавлены вместе в кластеры. Эти кластеры образуют трехмерную высокопористую структуру из почти фрактальных цепочек с размером пор менее 100 нм. Средний размер и плотность пор можно контролировать в процессе производства.

Аэрогели являются замечательными теплоизоляционными материалами, поскольку они почти сводят на нет три метода передачи тепла: конвекцию, теплопроводность и излучение. Они являются хорошими ингибиторами конвекции, поскольку воздух не может циркулировать по решетке. Аэрогель кремнезема является особенно хорошим проводящим изолятором, потому что кремнезем плохо проводит тепло, а металлический аэрогель, с другой стороны, был бы менее эффективным изолятором. Углеродный аэрогель является хорошим изолятором излучения, поскольку углерод поглощает инфракрасное излучение, передающее тепло. Наиболее изолирующим аэрогелем является кремнеземный аэрогель с добавлением к нему углерода.

Благодаря своей гигроскопической природе аэрогель кажется сухим и действует как сильный осушитель. Людям, которые длительное время работают с аэрогелями, следует надевать перчатки, чтобы предотвратить появление на руках сухих ломких пятен.

Учитывая, что аэрогель на 99 процентов состоит из воздуха, он кажется полупрозрачным. Его цвет обусловлен рэлеевским рассеянием более коротких длин волн видимого света на наноразмерной дендритной структуре. Это приводит к тому, что он кажется голубоватым на темном фоне и беловатым на ярком фоне.

Аэрогели сами по себе гидрофильны, но химическая обработка может сделать их гидрофобными. Если они поглощают влагу, они обычно претерпевают структурные изменения (например, сжатие) и портятся, но деградацию можно предотвратить, сделав их гидрофобными. Аэрогели с гидрофобной внутренней частью менее подвержены деградации, чем аэрогели только с внешним гидрофобным слоем, даже если трещина проникает на поверхность. Гидрофобная обработка облегчает обработку, так как позволяет использовать гидроабразивную резку.

Типы аэрогелей

Силикагельный аэрогель

Аэрогель, произведенный Эллиотом Шварцем и Робертом Палмером в Университете штата Флорида.

Аэрогель из кремнезема является наиболее распространенным типом аэрогеля, а также наиболее широко изученным и используемым. Это вещество на основе кремнезема, полученное из силикагеля. Твердое вещество с самой низкой плотностью в мире — это нанопена диоксида кремния с плотностью 1 мг/см ^{3 [5]} , представляющая собой эвакуированную версию аэрогеля-рекордсмена с плотностью 1,9 мг/см ^{3 [6]} . Плотность воздуха 1,2 мг/см ³ .

Силикагельный аэрогель сильно поглощает инфракрасное излучение. Это позволяет создавать материалы, которые пропускают свет в здания, но удерживают тепло для солнечного нагрева.

Обладает чрезвычайно низкой теплопроводностью (от 0,03 Вт·м/м ² ·K до 0,004 Вт·м/м ² ·K), ^[5] , что придает ему замечательные изоляционные свойства. Его температура плавления составляет 1473 К (1200 ° C или 2192 ° F).

угольные аэрогели

Углеродные аэрогели состоят из частиц размером в нанометровом диапазоне, ковалентно связанных друг с другом. Они имеют очень высокую пористость (более 50 процентов, диаметр пор менее 100 нм) и площадь поверхности от 400 до 1000 м²/г. Их часто изготавливают в виде композиционной бумаги: нетканой бумаги из углеродных волокон, пропитанной резорцин-формальдегидным аэрогелем и подвергнутой пиролизу. В зависимости от плотности углеродные аэрогели могут быть электропроводными, что делает бумагу из композитного аэрогеля полезной для электродов в конденсаторах или электродов деионизации. Из-за чрезвычайно большой площади поверхности углеродные аэрогели используются для создания суперконденсаторов со значениями до тысяч фарад при емкости 104 Ф/г и 77 Ф/см³. Углеродные аэрогели также чрезвычайно «черны» в инфракрасном спектре, отражая только 0,3 процента излучения в диапазоне от 250 нм до 14,3 мкм, что делает их эффективными для сбора солнечной энергии.

Термин «аэрогель» был неправильно использован для описания воздушных масс углеродных нанотрубок, полученных с помощью определенных методов химического осаждения из паровой фазы — такие материалы можно прясть в волокна с большей прочностью, чем у кевлара, и уникальными электрическими свойствами. Однако эти материалы не являются аэрогелями, так как не имеют монолитной внутренней структуры и не имеют регулярной структуры пор, характерной для аэрогелей.

Аэрогели оксида алюминия

Аэрогели, изготовленные из оксида алюминия, известны как аэрогели оксида алюминия. Эти аэрогели используются в качестве катализаторов, особенно когда они «легированы металлом» другим металлом. Никель-глиноземный аэрогель является наиболее распространенной комбинацией. Аэрогели оксида алюминия также исследуются НАСА на предмет улавливания высокоскоростных частиц; состав, содержащий гадолиний и тербий, может флуоресцировать в месте удара частицы, причем степень флуоресценции зависит от скорости удара.

Другие аэрогели

SEAgel представляет собой материал, аналогичный органическому аэрогелю, изготовленный из агара.

Халькогели, более известные как аэрогели халькогенидов металлов , представляют собой группу аэрогелей, состоящих из халькогена (такого как сера или селен) в сочетании с металлом (часто платиной). ^[7] Исследования продолжаются, и металлы, менее дорогие, чем платина, также использовались для создания халькогелей.

Применение

Пылесборник Stardust с блоками аэрогеля. (НАСА)

Аэрогели можно использовать для различных задач, некоторые из которых указаны ниже.

• В коммерческих целях аэрогели используются в гранулированной форме для утепления мансардных окон.
• После нескольких полетов на рвотной комете одна исследовательская группа ^[8] показала, что производство кремнеземного аэрогеля в невесомой среде приводит к образованию частиц с более однородным размером и уменьшенным рэлеевским рассеянием, так что аэрогель менее синий и более прозрачный. Прозрачный аэрогель кремнезема был бы очень удобен в качестве теплоизоляционного материала для окон, значительно ограничивая тепловые потери зданий.
• Большая площадь поверхности различных аэрогелей привела к множеству применений, в том числе в качестве химических абсорбентов для очистки разливов. Это свойство также позволяет использовать некоторые аэрогели в качестве катализаторов или носителей катализаторов.
• Некоторые типы частиц аэрогеля могут использоваться в качестве загустителей в некоторых красках и косметике.
• Характеристики аэрогеля могут быть улучшены для конкретного применения путем добавления легирующих примесей, армирующих структур и гибридизирующих соединений. Используя этот подход, можно значительно расширить область применения аэрогелей.
• Коммерческое производство «одеяла» из аэрогеля началось примерно в 2000 году. Одеяло из аэрогеля представляет собой композит из кремнеземного аэрогеля и волокнистого армирования, который превращает хрупкий аэрогель в прочный и гибкий материал. Механические и термические свойства продукта могут варьироваться в зависимости от выбора армирующих волокон, матрицы аэрогеля и добавок, придающих непрозрачность композиту.
• НАСА использовало определенные материалы аэрогеля для улавливания частиц космической пыли на борту космического корабля Stardust. Частицы испаряются при ударе о твердые тела и проходят через газы, но могут задерживаться в аэрогелях. НАСА также использовало аэрогели для теплоизоляции марсохода и скафандров. ^[9] Малая масса аэрогелей также выгодна для космических полетов.
• В физике элементарных частиц некоторые аэрогели используются в качестве излучателей в детекторах на эффекте Черенкова. Система ACC детектора Belle, использованная в эксперименте Belle в KEKB, является недавним примером такого использования. Пригодность аэрогелей определяется их низким показателем преломления, заполняющим промежуток между газами и жидкостями, а также их прозрачностью и твердым состоянием, что делает их более удобными в использовании, чем криогенные жидкости или сжатые газы.
• Резорцин-формальдегидные аэрогели используются в основном в качестве прекурсоров для производства углеродных аэрогелей или когда необходим органический изолятор с большой площадью поверхности. Их площадь поверхности может достигать 600 м² на грамм материала.
• Нанокомпозиты металл-аэрогель можно приготовить путем пропитки гидрогеля раствором, содержащим ионы подходящего благородного или переходного металла. Затем пропитанный гидрогель облучают гамма-лучами, что приводит к осаждению наночастиц металла. Такие композиты можно использовать, например, в качестве катализаторов, сенсоров или электромагнитных экранов, а также для утилизации отходов. Перспективное использование катализаторов платина-на-углероде в топливных элементах.
• Некоторые аэрогели могут использоваться в качестве систем доставки лекарственных средств в связи с их биосовместимостью. Благодаря большой площади поверхности и пористой структуре аэрогеля лекарственные препараты могут адсорбироваться при введении со сверхкритическим диоксидом углерода. Скорость высвобождения лекарств может быть адаптирована в зависимости от свойств аэрогеля. ^[10]
• Углеродные аэрогели используются в конструкции небольших электрохимических суперконденсаторов с двойным слоем. Из-за большой площади поверхности аэрогеля эти конденсаторы могут быть в 2000–5000 раз меньше, чем электролитические конденсаторы аналогичного номинала. ^[11] Аэрогелевые суперконденсаторы могут иметь очень низкий импеданс по сравнению с обычными суперконденсаторами и могут поглощать/генерировать очень высокие пиковые токи.
• Халькогели продемонстрировали перспективность поглощения загрязняющих веществ тяжелых металлов, таких как ртуть, свинец и кадмий, из воды. ^[12]
• Материал аэрогеля можно использовать для внесения беспорядка в сверхтекучее состояние гелия-3. ^[13]

См. также

• Конденсатор
• Стекловолокно
• Силикагель
• Сверхкритическая жидкость

Примечания

1. ↑ С.С. Кистлер, «Когерентные расширенные аэрогели и желе» Nature 127(3211) (1931):741.
2. ↑ С.С. Кистлер, «Когерентные расширенные аэрогели» Journal of Physical Chemistry 36(1) (1932): 52-64.
3. ↑ Р. В. Пекала, «Органические аэрогели в результате поликонденсации резорцина с формальдегидом», Journal of Material Science 24(9) (1989): 3221-3227.
4. ↑ Абул Тахер, Ученые приветствуют «замороженный дым» как материал, который изменит мир, Times Online , 19 августа 2007 г. Проверено 1 мая 2019 г.
5. ↑ ^{5.0 5.1} Условия использования аэрогелей, LLNL. Проверено 1 мая 2019 г.
6. ↑ Аэрогель Лаборатории установил мировой рекорд. Обзор науки и техники LLNL. Проверено 1 мая 2019 г.
7. ↑ Дэвид Бьелло, Фильтр из тяжелых металлов, сделанный в основном из воздуха Scientific American , 26 июля 2007 г. Проверено 1 мая 2019 г..
8. ↑ Формирование аэрогеля в невесомости. Проверено 1 мая 2019 г.
9. ↑ Предотвращение утечки тепла через изоляцию под названием «аэрогель». НАСА CPL. Проверено 1 мая 2019 г.
10. ↑ И. Смирнова, С. Суттируенгвонг и В. Арлт, «Технико-экономическое обоснование гидрофильных и гидрофобных аэрогелей кремнезема в качестве систем доставки лекарств», Journal of Non-Crystalline Solids 350 (2004): 54-60.
11. ↑ Марк Юзков, Аэрогелевые конденсаторы поддерживают импульсные, удерживающие и силовые приложения, Power Electronics Technology , 1 февраля 2002 г. Проверено 1 мая 2019 г.
12. ↑ Мэри Кармайкл, Странные вещи, которые могут спасти мир Newsweek International , 12 августа 2007 г. Проверено 1 мая 2019 г.
13. ↑ В. П. Гальперин и Дж. А. Солс. Гелий-три в аэрогеле. Проверено 1 мая 2019 г.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

• Catching Comet Dust. Лаборатория реактивного движения НАСА. Проверено 26 сентября 2019 г..
• Фрике Дж. и А. Эммерлинг. Аэрогели — получение, свойства, применение. Структура и соединение 77 (1992):37-87.
• Хюзинг Н. и У. Шуберт. Аэрогели — воздушные материалы: химия, структура и свойства. Angewandte Chemie International Edition 37(12) (1998): 22-196.
• Пьер, А.К., и Г.М. Пайонк. Химия аэрогелей и их применение. Chemical Reviews 102(11) (2002): 4243-4266.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 30 апреля 2021 г.

• Фотографии аэрогеля НАСА.
• Исследование аэрогеля в LBL: из лаборатории на рынок.
• Часто задаваемые вопросы по аэрогелю в NASA JPL.
• Американская компания, занимающаяся исследованием и производством гибких изоляционных покрытий из аэрогеля.