Новый метод получения люминесцентных аэрогелей позволил создать материалы с уникальными характеристиками
Новый метод получения люминесцентных аэрогелей позволил создать материалы с уникальными характеристиками | SCAMT
Аэрогели — это материалы, представляющие собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Вследствие этого вещество обладает рекордно низкой плотностью, а также рядом других уникальных качеств: они прочные (образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса), имеют чрезвычайно низкую теплопроводность и развитую удельную поверхность. Все это позволяет применять аэрогели для широкого спектра задач. Например, на основе таких материалов изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения. Кроме того, аэрогели могут обладать также рядом полезных биологических свойств, что делает их перспективным материалом для использования в биомедицине.
Одной из самых актуальных задач в этой области на сегодняшний день является поиск новых люминесцирующих агентов, что позволит решить задачи биовизуализации и ранней диагностики заболеваний.
В большинстве используемых материалов люминесценция происходит по обычному механизму: поглощается излучение с короткой длиной волны, а излучается в длинноволновой части спектра.
Однако можно создать принципиально новый класс материалов, которые способны преобразовывать инфракрасное излучение в видимое за счет явления апконверсии. В этом случае преобразование происходит за счет сложения двух и более длинноволновых фотонов с низкой энергией в один, обладающий более высокой энергией.
При разработке таких материалов, обладающих апконверсионными свойствами, используются комплексы редкоземельных элементов. Это сложный процесс, который предполагает синтез в несколько этапов. Ученые из международной научной лаборатории SCAMT Университета ИТМО разработали более простой, универсальный метод получения апконверсионных аэрогелей на основе оксидов металлов (циркония, гафния и тантала), допированных редкоземельными элементами эрбия и иттербия.
Тщательно подобранные условия синтеза позволили получить материалы с равномерно включенными в структуру оксидов допантами (модифицирующими добавками, необходимыми для придания оптических свойств материалу) и уникальными люминесцентными характеристиками.
«Известно, что можно получать светящиеся аэрогели, используя редкоземельные элементы. Но в этом случае необходимо создавать гибридный материал, то естьсмешивать две фазы. Нам же впервые удалось внедрить ионы редкоземельных элементов в оксидную решетку в одну стадию и получить монолитный апконверсионный аэрогель — в нашем случае на спектре видна только фаза оксида, абсолютно без примесей, — рассказывает Григорий Киселев, первый автор статьи, сотрудник международной лаборатории SCAMT.
Первоначально исследователи получили светящийся оксид циркония, допировав матрицу оксида редкоземельными элементами, после чего им удалось получить аэрогель этого материала. Проработав технологию, они применили ее для получения аэрогелей и для других материалов по такой же аналогии. В частности, ученые лаборатории SCAMT успешно опробовали метод, используя оксид гафния и оксид тантала, и показали, что на их основе также можно создать светящиеся аэрогели.
В перспективе, как отмечают авторы исследования, этот метод можно применить и к другим оксидам.
Сочетание таких свойств, как биосовместимость, высокая площадь поверхности и апконверсионная люминесценция, открывают широкий круг возможных применений полученных материалов: от оптики и фотоники до медицины, — добавляет Григорий Киселев.
Прежде всего, применение таких материалов безопасно для человека: инфракрасное излучение способно проникать в биоткани на максимальную глубину, не повреждая их. Кроме того, при ИК-возбуждении минимизируется автолюминесценция биотканей, что позволяет повысить точность исследований. Все это делает такие материалы перспективными для использования, например, в качестве люминесцентных зондов в биологических исследованиях и для флуоресцентной диагностики и лечения раковых заболеваний.
Работа была выполнена при поддержке Гранта Российского Фонда Фундаментальных Исследований, № 18-29-11078.
Статья: Upconversion Metal (Zr, Hf, Ta) Oxide Aerogels, Kiselev Grigorii; Kiseleva Aleksandra; Ilatovskii Daniil; Koshevaya Ekaterina; Nazarovskaia Daria; Gets Dmitry; Vinogradov Vladimir; Krivoshapkin Pavel; Krivoshapkina Elena, Chemical Communications, DOI: 10.1039/c9cc02452b, 2019.
(автор Елена Меньшикова)
В РХТУ облегчили процесс получения аэрогелей
1649
Добавить в закладки
Образцы аэрогелей, синтезированных в работе
Учёные РХТУ им. Д.И. Менделеева смогли
оптимизировать процесс сверхкритический сушки для получения
аэрогелей, что позволяет без ухудшения качества материала заметно
ускорить это действие, при этом снизить затраты сушильного
агента, делая синтез аэрогелей более доступным. По данным учёных
результаты исследования были опубликованы в журнале Drying Technology.
Отметим, что аэрогели — это высокопористые
структурированные материалы, внутри которых
находятся так называемые пустоты с газом.
При очень низкой плотности и теплопроводности
имеют высокую твёрдость и прозрачность, благодаря чему
аэрогели могут использовать для теплоизоляции и других
задач. Одним из важнейших этапов в получении аэрогелей —
это сверхкритическая сушка. Но как
утверждают в РХТУ, это очень дорогостоящий процесс, который не
позволяет в полной мере воспользоваться
материалами. Обычный гель — это трехмерный сетчатый
каркас с большим количеством пор, заполненных жидкостью. Отличие
аэрогелей от обычных в том, что жидкая фаза в них полностью
замещена газообразной. У них маленькая плотность и одновременно
высокая твердость, прозрачность, жаропрочность, а также
чрезвычайно низкая теплопроводность. Поэтому аэрогели используют
для изготовления теплоизоляционных материалов, в различных
медицинских целях и даже в космосе — из них делают ловушки для
космической пыли, способные захватывать самые мелкие частицы.
Получение аэрогелей происходит в несколько этапов: сначала
из базовых химических компонентов делают растворы-прекурсоры,
затем из них получают обычные гели, а после этого гели
сушат, во время чего жидкость, заполняющая поры, замещается
газом. О том, как происходил процесс получения аэрогелей путем
сверхкритический сушки, «Научной России»
рассказал Павел Цыганков, научный сотрудник
международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических
и биотехнологий РХТУ им. Д.И.
Менделеева. «Сверхкритическая сушка — основной этап
получения аэрогелей. Только данный процесс позволяет получать
высокопористую структуру без разрушения. Чаще всего
сверхкритическая сушка проводится в среде сверхкритического
диоксида углерода. В аппарат высокого давления
помещаются гели (внутри пор содержится растворитель хорошо
смешивающийся с сверхкритическим СО2). Аппарат
герметизируется. В аппарат подается СО2 и повышается
температура. Далее в течение времени процесса проходят стадии
вытеснения растворителя из свободного объема аппарата и замещение
растворителя в порах геля на сверхкритический СО2.
По
завершении процесса давление сбрасывается, сверхкритический СО2
переходит в газовую фазу и получают аэрогель», — говорит
учёный.
Аэрогель на основе диоксида кремния
По словам Павла Цыганкова, процесс сверхкритический сушки имеет
свои тонкости, которые необходимо было учесть в
исследовании. «Свойства сверхкритического флюида сильно
зависят от параметров процесса (температура, давление). Кроме
того, остаточное содержание органического растворителя оказывает
критическое влияние на свойства аэрогелей (удельная площадь
поверхности, объем пор, пористость). Таким образом, при
проведении процесса сушки важно подобрать оптимальное время, т.к.
с одной стороны остаточное влагосодержание ухудшает свойства
конечного материала (при недостаточном времени сушки), а с другой
стороны увеличение продолжительности процесса приводит к
увеличению стоимость процесса», — утверждает Павел
Цыганков.
Обычная сушка при атмосферном давлении и повышенных температурах,
для этих целей не подходит: она разрушает структуру исходного
геля и в результате аэрогель из него не получить.
Вместо этого
учёные проводят сверхкритическую сушку, в которой используют
сверхкритические жидкости — так называют состояние вещества при
давлении и температуре выше критических, когда исчезает разница
между газовой и жидкой фазой.
«Результаты позволяют значительно сократить время процесса
сверхкритической сушки. Безусловно, работы в данном направлении
будут продолжены, но уже сейчас полученные данные могут быть
использованы на промышленном уровне», — добавил Павел
Цыганков.
В результате ученые установили, что за счет изменения параметров
сверхкритической сушки расход углекислого газа можно уменьшить на
63.4%, а суммарное время процесса — примерно на 50%. При этом
качество получаемого продукта остаётся практически неизменным и
полученные кремнеземные аэрогели имеют развитую удельную
поверхность (примерно 850 м/г) и высокую пористость
(около 95%). Таким образом, российские химики нашли способ
оптимизации процесса сверхкритической сушки, который составляет
существенную часть затрат на производстве аэрогелей.
Изображения предоставлены РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Автор Анна Посохова
РХТУ имени Менделеева
аэрогель
диоксид кремния
сверхкритическая сушка
сверхкритический углекислый газ
теплоизоляционные материалы
химические компоненты
Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.
НАУКА ДЕТЯМ
Член-корреспондент РАН Эдуард Боос: новогодняя встреча сотрудников МГУ — членов академий отражает глубокую связь, которая существует между учеными и преподавателями
18:40 / Наука и общество
Депутат Госдумы Леонид Слуцкий: «Наука и образование позволят России играть ключевую роль в формировании нового мира»
18:30 / Наука и общество
Депутат Госдумы Сергей Кабышев: наука — уникальный ресурс развития и защиты суверенитета государства
18:25 / Наука и общество
Выступление ректора МГУ Виктора Садовничего на традиционной новогодней встрече сотрудников университета — членов российских академий
18:20 / Наука и общество, Образование
Выступление президента РАН Геннадия Красникова на традиционной новогодней встрече в МГУ
18:15 / Наука и общество
Ректор МГУ Виктор Садовничий: «Эта традиционная встреча — клятва в дружбе ради науки»
18:10 / Наука и общество, Персона
13.
01.23 — Традиционная новогодняя встреча сотрудников Московского государственного университета — членов российских академий
18:00 / Наука и общество, Образование
Денис Мантуров посетил МГТУ им. Н.Э. Баумана
17:20 / Космонавтика, Наука и общество
15.01.23 — День открытых дверей МГУ им. М.В. Ломоносова
16:30 / Образование
Доказано существование скрытого объекта, который выводит системы из равновесия в непредсказуемый хаотический режим
15:30 / Инженерия, Математика
Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008
04.03.2019
Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002
04.03.2019
Вспоминая Сергея Петровича Капицу
14.02.2017
История новогодних праздников
01.08.2014
Смотреть все
Инновационное производство аэрогеля для недорогой и высокотемпературной изоляции
Здания
13 октября 2021 г.
Ведущий исполнитель: Optowares Inc. — Woburn, MA, https://www.optowares.com/
Партнер: Georgia Southern University — Statesboro, GA
DO Срок проекта: 28 июня 2021 г. – 27 марта 2022 г.
Тип финансирования: Инновационные исследования малого бизнеса (SBIR), Фаза 1
Цель проекта
Материалы с высоким коэффициентом теплопередачи на дюйм значительно облегчают модернизацию существующих зданий и позволяют повысить эффективность нового строительства. Аэрогели имеют значение R на дюйм 10 или выше, что делает их одними из лучших изоляторов для зданий. Однако производство и применение аэрогелей в строительстве ограничивается их высокой стоимостью материалов, трудоемкостью и дороговизной изготовления. В результате затраты на производство аэрогелей не снижаются с увеличением объема производства, что ограничивает их широкое распространение. Этот проект направлен на разработку методов производства аэрогелей, которые снижают затраты энергии, времени и производственных затрат на сушку.
Компания Optowares продемонстрирует возможность изготовления одеял из аэрогеля без использования дорогостоящего CO 2 -сверхкритическая сушка. Технология Optowares включает полимеризацию недорогого и легкодоступного дициклопентадиена (DCPD) с использованием технологического раствора для сушки под давлением при комнатной температуре. Проект будет сосредоточен на оптимизации нанопор и нанообъема, площади поверхности и морфологии аэрогелей на основе поли-ДХПД для улучшения показателей их теплопроводности. Это будет достигнуто за счет разработки нового высокопроизводительного и недорогого метода производства с использованием золь-гелевого процесса и процесса сушки под давлением при атмосферном давлении аэрогелевой изоляции из поли-ДХПД для строительных и промышленных применений. Предлагаемые покрытия из аэрогеля основаны на уникальной структуре нанопор/наночастиц аэрогеля и превосходных свойствах предшественника поли-ДХПД, и будут иметь форм-факторы строительной изоляции, которые снижают общую стоимость, трудозатраты и время установки при новом строительстве и модернизации существующих. здания. Ожидается, что полученный в результате аэрогель поли-DCPD будет иметь R-значение на дюйм более 8 для устойчивого композитного изоляционного материала, который будет иметь преимущества как его базового полимера, так и его наноструктуры аэрогеля.
Влияние проекта
Спрос со стороны таких отраслей, как нефтегазовая, аэрокосмическая, холодильная и автомобильная, уже стимулировал рост мирового рынка аэрогелевой изоляции, который, по прогнозам, к 2023 году достигнет 2 миллиардов долларов. Препятствием для широкого внедрения аэрогелевой изоляции в зданиях является стоимость. Прогнозируется, что успешная разработка одеял аэрогеля из поли-ДХПД, высушиваемых под давлением окружающей среды, снизит их стоимость в 3-5 раз по сравнению с современными аэрогелями. Это достигается при сохранении таких свойств, как высокое значение R, акустическая изоляция, гидрофобность и долговечность в широком диапазоне температур. Сохраняя низкую плотность, полученные аэрогелевые продукты на основе поли-ДХПД также могут быть пригодны для нестроительных применений в промышленности, нефтегазовой отрасли, строительстве, транспорте, аэрокосмической и морской промышленности.
Контакты
Менеджер по технологиям DOE: Sven Mumme
Ведущий исполнитель: Je Kyun Lee, Optowares Inc.
Связанные публикации
- Je Kyunopere*, George Gouldop a George -Gouldop a George -Gouldop a George -Gouldop a George -Gouldo Новый изоляционный материал», J. Sol-Gel Sci. Техн., 44, 29 (2007).
- Je Kyun Lee*, George Gould, Wendell Rhine, «Аэрогель на основе полимочевины для высокоэффективного теплоизоляционного материала», J. Sol-Gel Sci. Тех., 49, 209 (2009).
- Дже Кюн Ли*, Джордж Гулд «Поведение вязкости быстро отверждаемых золей кремнезема», J. Sol-Gel Sci. Техн., 34, 281 (2005).
- Kyung-Jin Lee, Je Kyun Lee*, Hae-Jin Hwang*, «Быстрый синтез сферических порошков аэрогеля кремнезема путем эмульсионной полимеризации из жидкого стекла», Inorg. хим., 3, 1 (2018).
- Kyung-Jin Lee, Je Kyun Lee*, Hae-Jin Hwang*, «Изготовление композитов кремнеземного аэрогеля из водной суспензии кремнеземного аэрогеля», Ceram.
Междунар., 44, 2204 (2018). - HJ Schanz et al., «Синтез и термические свойства линейного полидициклопентадиена посредством метатезисной полимеризации с раскрытием кольца с рутениево-алкилиденовым комплексом типа Граббса третьего поколения», J. Polym. науч. Часть А: Полим. хим., 40, 2373 (2018).
- HJ Schanz et al., «Гексакоординированные катализаторы метатезиса олефинов на основе Ru с рН-чувствительным N-гетероциклическим карбеном (NHC) и N-донорными лигандами для реакций ROMP в неводных, водных и эмульсионных условиях», Beilstein J. Org. Хим., 11, 1960 (2015).
- HJ Schanz et al., «РН-чувствительные катализаторы метатезиса олефинов на основе рутения: полимеризация метатезиса с регулируемым раскрытием цикла в спиртовых и водных средах при добавлении кислоты», Organometallics 2011, 30, 199-203.
Производство современных аэрогелей. технический прогноз | by MForesight
Аэрогели обладают уникальными теплоизоляционными свойствами.
Более 85 лет назад инженер-химик по имени Сэмюэл Стивенс Кистлер поспорил со своим другом, сможет ли он удалить жидкость из геля и заменить ее газом — и все это без усадки геля.
Кистлер выиграл пари. И в результате появился новый вид материала, который оказался удивительно полезным: аэрогель.
По прошествии почти столетия эти высокопористые синтетические вещества по-прежнему остаются одними из самых легких материалов, известных человечеству. В то время как аэрогелевые продукты из диоксида кремния производятся для промышленных целей уже более 70 лет, появление новых процессов и продуктов вернуло аэрогель на передний край материаловедения.
Новые материалы аэрогеля варьируются от керамики до оксидов металлов и полимеров, а теперь даже до нестандартных конфигураций наночастиц. Аэрогели уже используются в самых разных областях, от морских трубопроводов до космических аппаратов НАСА, но их уникальные свойства открывают новые возможности для разработки разнообразных продуктов будущего. Некоторые ключевые свойства включают в себя:
· Звукоизоляция : аэрогели обеспечивают самый высокий уровень звукоизоляции среди всех материалов.
· Теплоизоляция : аэрогели обеспечивают изоляцию, которая часто лучше, чем обычные изоляционные материалы, при меньшем пространстве, а также проявляя лучшую устойчивость к разрушению влагой.
· Аккумуляторы энергии и суперконденсаторы : аэрогели могут содержать дополнительные проводящие частицы, переносящие ионы или иные специализированные функциональные частицы. Эти добавленные частицы могут сочетаться с непрерывно связанными, но пористыми структурами аэрогелей для создания батарей и суперконденсаторов с одновременно высокой плотностью энергии и высокой плотностью мощности.
Аэрогели обладают такими важными свойствами, как звукоизоляция и теплоизоляция одновременно , что означает, что они могут служить многофункциональными легкими материалами для использования в аэрокосмической, транспортной, холодильной, строительной и других областях.
Современные аэрогели также обладают серьезным потенциалом в ряде других передовых областей. Например, поскольку в аэрогель во время его синтеза могут быть включены многочисленные материалы, возможны применения, которые могут способствовать контролируемому высвобождению лекарств, биоразлагаемости и даже репликации клеточных сетей. Высокопористая структура аэрогеля обеспечивает большую площадь поверхности, которая подходит для новых возможных экологических применений, таких как ликвидация разливов нефти и связывание углерода.
Аэрогели обладают исключительным потенциалом во многих секторах. Но проблема заключается в масштабе — процессы производства аэрогеля остаются медленными, дорогостоящими, энергоемкими и материалоемкими.
Современные методы производства ограничивают размеры и формы аэрогелей, которые могут быть созданы, что затрудняет производство материалов для многих конкретных применений. Более того, некоторые из наиболее многообещающих применений аэрогеля, в том числе аккумуляторы, по-прежнему зависят от новых крупных прорывов в исследованиях и разработках.
Есть интерес и инвестиции в преодоление этих проблем. Правительство США финансировало ряд исследовательских проектов через Национальные лаборатории, Агентство по охране окружающей среды, DARPA, Национальный научный фонд и другие агентства, сосредоточенные на нескольких потенциальных применениях. Некоторые фирмы также инвестируют.
Тем не менее, исследования по конкретным приложениям не обязательно необходимы для решения проблем, связанных с масштабированием производства аэрогеля. Что больше всего необходимо, так это долгосрочные инвестиции в улучшение основных производственных процессов. При временных горизонтах инвестирования до 18 лет серьезной проблемой является поиск достаточно терпеливого капитала.
Тем не менее, вполне возможно, что мы осознаем перспективы передовых аэрогелей. Другие технологии, от батарей до солнечных батарей и углеродных волокон, столкнулись с такими же долгими временными горизонтами. Благодаря дальновидным инвестициям и государственно-частному партнерству эти технологии значительно усовершенствовались.