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 %, а как правило, 95—99,8 % объёма, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м ³ . По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединённых в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм .

История

Первенство в изобретении признано за химиком (англ.) ( из (англ.) ( в Стоктоне , Калифорния , США, опубликовавшим 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 сжимаясь.

Свойства

На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твёрдую пену, похожую на пенопласт . 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 кварцевые аэрогели полупрозрачны. За счёт рэлеевского рассеяния света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем. Сходными оптическими свойствами обладают аэрогели на основе оксидов алюминия ( Al ₂ O ₃ ), циркония ( ZrO ₂ ) и титана ( TiO ₂ ). Аэрогели из других оксидов металлов могут иметь различный цвет и прозрачность; так, железооксидный аэрогель непрозрачен и имеет цвет, сходный со ржавчиной , ванадиевооксидный аэрогель непрозрачен, оливково-зелёного цвета; хромооксидный аэрогель имеет тёмно-зелёный или тёмно-синий цвет, а аэрогели на основе оксидов редкоземельных металлов прозрачны ( оксид самария жёлтый, оксид неодима фиолетовый, оксиды гольмия и эрбия — розовые) . Углеродные аэрогели имеют глубокий чёрный цвет, поглощая 99,7 % падающего света.

Виды аэрогелей

Наиболее распространены кварцевые аэрогели. Их минимальная плотность равна 1 кг/м ³ (вакуумированная версия), что в 1000 раз меньше плотности воды и даже в 1,2 раза меньше плотности воздуха (правда, указанная плотность не включает вес воздуха, включенного в структуру, потому аэрогели не плавают в воздухе). Среди твердых тел меньшую плотность имеют лишь металлические микрорешётки (чья плотность может достигать 0,9 кг/м ³ , что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей), аэрографит (чья плотность составляет 0,18 кг/м ³ ) и (англ.) ( ( 0,16 кг/м ³ ). Кварцевые аэрогели пропускают свет в мягком ультрафиолете , 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 . Благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности ( ~0,017 Вт/(м·К) в воздухе при атмосферном давлении), , 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 ( аэрографиты ) состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом. Они электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторах. За счёт очень большой площади внутренней поверхности (до 800 м ² /грамм ) углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов ( ионисторов ) ёмкостью в тысячи фарад . В настоящее время достигнуты показатели в 10 ⁴ Ф/грамм и 77 Ф/см ³ . Углеродные аэрогели отражают всего 0,3 % излучения в диапазоне длин волн от 250 до 14 300 нм , 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

Помимо многочисленных технических применений, обусловленных вышеперечисленными уникальными свойствами, аэрогель известен 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. Э. Лоуренса , США).

В начале 2006 некоторые компании, например, , 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).

В настоящее время на основе аэрогеля изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.

Производители

• Институт катализа имени Г. К. Борескова СО РАН — российский исследовательский институт, изготавливающий аэрогели, которые используются в научных экспериментах; в том числе многослойный аэрогель для измерения скорости элементарных частиц .
• Matsushita — японский производитель аэрогелей .

См. также

• Пенометалл — 50 кг/м ³
• Металлическая микрорешётка — 0,9 кг/м ³
• Аэрографит — 0,2 кг/м ³
• Воздух — 1,2754 кг/м ³

Примечания

Ссылки

• (англ.)
• (англ.)
• (англ.)
• . Теплофизические свойства (рус.)