Аэрагель

Блок аэрагеля у руцэ

Цэгла масай 2,5 кг стаіць на шматку аэрагеля масай 2,38 г

Аэрагель (ад лац.: aer — паветра і gelatus — замарожаны) — клас матэрыялаў, якія ўяўляюць сабой гель, у якім вадкая фаза цалкам замешчана газападобнай. Такія матэрыялы валодаюць рэкордна нізкай шчыльнасцю і дэманструюць шэраг унікальных уласцівасцяў: цвёрдасць, празрыстасць, гарачатрываласць, надзвычай нізкую цеплаправоднасць і г. д. Распаўсюджаныя аэрагелі на аснове аморфнага дыяксіду крэмнія, гліназёму, а таксама аксідаў хрому і волава. У пачатку 1990-х атрыманы першыя ўзоры аэрагеля на аснове вугляроду.

Структура

Аэрагель ставяцца да класа мезапорыстых матэрыялаў, у якіх паражніны займаюць не менш за 50 % аб’ёму. Як правіла, гэты працэнт дасягае 90-99, а шчыльнасць складае ад 1 да 150 кг/м³. Па структуры аэрагель прадстаўляе сабой дрэвападобную сетку з аб’яднаных у кластары наначасціц памерам 2-5 нм і часу памерамі да 100 нм.

Гісторыя

Першынство ў вынаходстве прызнана за хімікам Стывенам Кістлером (Steven Kistler) з Ціхаакіянскага каледжа (College of the Pacific) у Стоктане, Каліфорнія, ЗША, які апублікаваў у 1931 годзе ў часопісе Nature свае вынікі.

Кістлер замяняў вадкасць у гелі на метанол, а потым награваў гель пад ціскам да дасягнення крытычнай тэмпературы метанолу (240 °C). Метанол сыходзіў з геля, а не памяншаючыся ў аб’ёме; адпаведна, і гель «высыхаў», амаль не сціскаючысь.

Аэрагелі — добрыя цеплаізалятары

Уласцівасці

На навобмацак аэрагель нагадваюць лёгкую, але цвёрдую пену, нешта накшталт пенапласту. Пры моцнай нагрузцы аэрагель трэскаецца, але ў цэлым гэта вельмі трывалы матэрыял — узор аэрагеля можа вытрымаць нагрузку ў 2000 разоў больш ўласнай вагі. Аэрагелі, у асаблівасці кварцавыя — добрыя цеплаізалятары. Яны таксама вельмі гіграскапічныя.

Па вонкавым выглядзе аэрагель паўпразрыстыя. За кошт рэлееўскага рассейвання святла на дрэвападобных структурах яны выглядаюць блакітнаватымі ў адлюстраваным святле і светла-жоўтымі у святлі, ў які праходзіць.

Віды аэрагеляў

Найбольш распаўсюджаныя кварцавыя аэрагелі, па шчыльнасці сярод цвёрдых цел яны саступаюць толькі металічным мікрарашоткам, чыя шчыльнасць можа дасягаць — 0,9 кг/м³, што на адну дзесятую менш лепшых паказчыкаў шчыльнасці аэрагеля — 1 кг/м³. У паветраным асяроддзі пры нармальных умовах шчыльнасць такой металічнай мікрарашоткі роўная 1,9 кг/м³ за кошт унутрарашотачнага паветра. Гэта ў 500 разоў менш шчыльнасці вады і ўсяго ў 1,5 разы больш шчыльнасці паветра. Кварцавыя аэрагелі прапускаюць святло ў мяккім ўльтрафіялеце і бачнай вобласці (з даўжынёй хвалі больш 300 нм) і інфрачырвоным дыяпазоне, аднак у інфрачырвонай вобласці прысутнічаюць тыповыя для кварца паласы гідраксілу пры 3500 см⁻¹ і 1600 см⁻¹. Дзякуючы надзвычай нізкай цеплаправоднасці (~ 0,017 Вт/(м·К) ў паветры пры атмасферным ціску), , меншай, чым цеплаправоднасць паветра (0,024 Вт/(м·К)), яны ўжываюцца ў будаўніцтве ў якасці цеплаізалюючых і цеплаутрымліваючых матэрыялаў. Тэмпература плаўлення кварцавага аэрагеля складае 1200 °C.

Вугляродныя аэрагелі складаюцца з наначасціц, кавалентна звязаных адна з адной. Яны электраправодныя і могуць выкарыстоўвацца ў якасці электродаў ў кандэнсатарах. За кошт вельмі вялікай плошчы ўнутранай паверхні (да 800 м²/грам) вугляродныя аэрагелі знайшлі прымяненне ў вытворчасці суперкандэнсатараў (іёністараў) ёмістасцю ў тысячы фарад. У цяперашні час дасягнуты паказчыкі ў 104 Ф/грам і 77 Ф/см³. Вугляродныя аэрагелі адлюстроўваюць усяго 0,3 % выпраменьвання ў дыяпазоне даўжынь хваль ад 0,25 да 14,3 мкм, што робіць іх эфектыўнымі паглынальнікамі сонечнага святла.

Гліназёмныя аэрагелі з аксіду алюмінія з дадаткамі іншых металаў выкарыстоўваюцца ў якасці каталізатараў. На базе алюмааксідных аэрагеляў з дадаткамі гадалінія і тэрбія ў НАСА быў распрацаваны дэтэктар высакахуткасных сутыкненняў: у месцы сутыкнення часціцы з паверхняй адбываецца флюарэсцэнцыі, інтэнсіўнасць якой залежыць ад хуткасці сутыкнення.

Выкарыстанне

132 ячэйкі з аэрагелем касмічнага апарата Стардаст

Акрамя шматлікіх тэхнічных ужыванняў, абумоўленых вышэйпералічанымі унікальнымі ўласцівасцямі, аэрагель знакаміты перш за ўсё выкарыстаннем у праекце «Стардаста» у якасці матэрыялу для пастак касмічнага пылу.

Паколькі паказчык праламлення аэрагеля займае прамежкавае становішча паміж паказчыкамі праламлення газападобных і вадкіх (цвёрдых) рэчываў, аэрогель выкарыстоўваецца як радыятар ў дэтэктарах зараджаных часціц.

Аэрагелі могуць выкарыстоўвацца ў якасці газавых і вадкасных фільтраў.

Аэрагель на аснове аксіду жалеза з алюмініевымі наначасціц можа служыць выбухоўкай (распрацоўка Ліверморскай нацыянальнай лабараторыі ім. Лоурэнса, ЗША).

У пачатку 2006 некаторыя кампаніі, напрыклад, United Nuclear , заявілі аб пачатку продажаў аэрагеля арганізацыям і прыватным асобам. У залежнасці ад памеру і формы ўзору, цана складае ад $ 25 (фрагменты) да $ 125 (кавалачак, змяшчальны на далоні).

Гл. таксама

• Пенаметал
• Металічная мікрарашотка
• Аэраграфіт

Спасылкі

• Пытанні, якія часта аб аэрагелі (праект «Стардаста») (англ.)
• Цеплавыя ўласцівасці крамянёвага аэрогеля Архівавана 5 ліпеня 2008. (англ.)
• Навуковы блог, прысвечаны аэрагелю і ўсяму, што з ім звязана (англ.)