Аерогелі

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

Блок аерогеля в руці

Структура

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

Історія

Першість у винаході визнана за хіміком Стівеном Кістлером (Steven Kistler) з Тихоокеанського коледжу (College of the Pacific) в Стоктоні, Каліфорнія, США, який оприлюднив 1931 року в журналі Nature власні досліди.

Кістлер заміняв рідину в гелі на метанол, а потім нагрівав гель під тиском до досягнення температури вищої за критичну температуру метанолу (240 °C) і, підтримуючи температуру, повільно знижував тиск. Метанол виходив з гелю, не зменшуючись в об'ємі; відповідно, і гель «висихав», майже не стискуючись. Проробити ці операції з водним розчином не вдавалось, оскільки за високих температур, матеріал гелю розчинявся в воді .

Властивості

Аерогелі — гарні теплоізолятори: квітка на шматку аерогелю над пальником Бунзена

2,5-кг цеглини, що утримується на блоці аерогелю вагою 2,38 г

Зовнішні відеофайли
	1. Як стати водонепроникним за допомогою аерогелю // Канал «Цікава наука» на YouTube, 23 січня 2021.

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

За зовнішнім виглядом аерогелі напівпрозорі. Завдяки релеївському розсіюванню світла на деревоподібних структурах, вони виглядають блакитнуватими у відбитому світлі і ясно-жовтими у проникному.

Види аерогелів

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

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

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

Застосування

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

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

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

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

Є безліч застосувань для аерогелів:

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

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

• Аерогелі також використовуються у фізиці елементарних частинок, як радіатори в детекторах Черенкова. АКК системи детектор Belle, застосовуваних в досліді Belle на KEKB, є останнім прикладом такого використання. Придатність аерогелів визначається їх низьким показником заломлення, заповнюючи прогалину між газами і рідинами, й їх прозорістю та твердий стан, що робить їх зручнішими у використанні, ніж кріогенну рідину або стиснений газ. Їхня низька маса також вигідна для космічних польотів.
• Резорцин — формальдегід аерогелів (полімери хімічно схожі на фенол формальдегідні смоли) в основному використовуються як прекурсори для виробництва вуглецевих аерогелів, або коли потрібні органічні діелектрики з великою поверхнею.
• Перше побутове житлове використання аерогелю як діелектрика, сталося в Технологічному інституті Джорджії's Solar Decathlon Будинок, де він використовується як діелектрик у напівпрозорому даху.
• Метал-аерогельні нанокомпозити можна отримати шляхом просочення гідрогелю розчином, що містить іони відповідного благородного або перехідного металів. Просякнутий гідрогелем і потім опромінений гамма-променем, що призводить до опадів наночастинок металу. Такі композити можуть бути використані як каталізатори, давачі, для електромагнітного екранування, в утилізації відходів. Далекосяжним є використання аерогелів, каталізатором у паливних елементах.
• Вуглецевий аерогель має застосування в будівництві малих електрохімічних іоністорів. Завдяки великій площі поверхні аерогелю, ці конденсатори можуть бути 1/2000th до 1/5000th розміру, щодо подібних електролітичних конденсаторів. Аерогель суперконденсаторів може мати дуже низький опір порівняно зі звичайними суперконденсаторами і може поглинути або виробити дуже високі пікові струми.
• «Dunlop» додав аерогель у форму своєї нової серії тенісних ракеток.
• «Chalcogels» показали фільтр поглинання важкого металу, забруднювачів ртуті, свинцю і кадмію з води.
• Аерогель використовується для введення в розлад надтекучого гелію-3.