Аэрогели: строение, свойства и сферы применения

Строение, свойства и сферы применения аэрогелей

Среди множества современных веществ особое место занимают материалы, которые почти целиком состоят из воздуха, но при этом сохраняют форму твёрдого тела. Именно к ним относятся аэрогели — необычный класс материалов, сочетающий крайне малый вес с рядом ценных физических качеств. Их изучение находится на стыке химии, физики твёрдого тела и нанотехнологий, а области практического использования расширяются с каждым годом.

Строение и характерные свойства аэрогелей

Отличительная черта аэрогелей — исключительно малая плотность, которая соседствует с набором нетипичных качеств. К ним причисляют твёрдость, жаропрочность, прозрачность и слабую теплопроводность.

Внешне вещество похоже на лёгкую, но упругую пену, напоминающую пенопласт. При чрезмерном давлении образец покрывается трещинами, однако в обычных условиях остаётся твёрдым: он способен удержать груз, превосходящий его собственную массу примерно в две тысячи раз. Аэрогелям присуща гигроскопичность — умение впитывать водяной пар из воздуха, а также высокие теплоизоляционные качества, особенно выраженные у кварцевых разновидностей.

Оптика этих материалов заслуживает отдельного внимания. Кварцевые аэрогели полупрозрачны: из-за рэлеевского рассеяния на их древовидной структуре в отражённом свете они кажутся голубоватыми, а в проходящем — светло-жёлтыми. Схожим образом ведут себя образцы на базе оксидов алюминия, титана и циркония. Прочие оксиды дают иную окраску и прозрачность. Так, железооксидный аэрогель непрозрачен и отливает ржавчиной, ванадиевооксидный имеет оливково-зелёный оттенок и тоже не пропускает свет, а хромооксидные варианты бывают тёмно-зелёными либо тёмно-синими. Углеродные же образцы окрашены в глубокий чёрный цвет и поглощают практически весь падающий на них свет.

По внутреннему устройству все аэрогели входят в число мезопористых материалов. Пустоты занимают у них не менее половины объёма, а чаще — от 95 до 99 %. Диапазон плотности простирается от 1 до 150 килограммов на кубометр. Сама структура образована древовидной сетью наночастиц размером от 2 до 5 нанометров, объединённых в кластеры, с порами, достигающими 100 нанометров.

История открытия

Создателем аэрогеля принято считать американского химика Стивена Кистлера, обнародовавшего итоги своих опытов в 1931 году на страницах журнала Nature. Суть его метода сводилась к замене жидкости в геле на метанол с последующим нагревом до критической для этого спирта температуры — 240 градусов по Цельсию. Метанол при этом покидал гель, но объём вещества оставался прежним.

Значительный шаг вперёд был сделан спустя десятилетия: в 1990 году исследователям впервые удалось изготовить аэрогели на углеродной основе, что заметно расширило спектр доступных разновидностей материала.

Разновидности аэрогелей и их практическое использование

Наибольшее распространение получили три типа этих материалов: аэрографиты, глинозёмные аэрогели и графеновый аэрогель.

Аэрографиты

Углеродные аэрогели, или аэрографиты, отличаются хорошей электропроводностью, благодаря чему пригодны для изготовления электродов в конденсаторах. Внутренняя поверхность у них огромна — до 800 квадратных метров на грамм, поэтому материал востребован при производстве ионисторов, ёмкость которых доходит до тысяч фарад. Вдобавок аэрографиты отражают лишь 0,3 % излучения в диапазоне от 250 до 14 300 нанометров, что делает их превосходными поглотителями солнечной энергии.

Глинозёмные аэрогели

Материалы на основе оксида алюминия с примесями других металлов применяют в качестве катализаторов. Разновидность с добавками тербия и гадолиния легла в основу детектора высокоскоростных соударений, разработанного в НАСА: при столкновении частиц с поверхностью возникает флюоресценция, яркость которой зависит от скорости удара. Существует гипотеза, что аэрогели с платиной способны ускорять получение водорода. А образец из оксида железа, дополненный алюминиевыми наночастицами, может служить взрывчатым веществом.

Графеновый аэрогель

На сегодня самым лёгким материалом планеты признан графеновый аэрогель, созданный в Китае. Этот углеродный материал плотнее газообразного водорода, но легче газообразного гелия. Его получают из графена методом сублимационной сушки. Материал одновременно прочен и упруг, а главное — с высокой скоростью впитывает органические вещества: всего один грамм за секунду поглощает до 68 граммов соединения, не растворимого в воде. Такое свойство пригодилось в природоохранных работах и при устранении экологических аварий — например, в 1996 году материал применяли для ликвидации разлива 7200 тонн нефти с танкера Sea Empress.

Профессор химии Меркьюри Канацидис разработал аэрогель для очистки воды от ртути и свинца, обладающий рекордно низкой плотностью на Земле. Перспективными видятся его использование в фильтрации загрязнённых вод, изготовлении ювелирных украшений и защите от экстремальных температур. Помимо этого, компания Dunlop выпустила линейку теннисных и сквош-ракеток, усиленных аэрогелем ради большей мощности удара, а на многих промышленных предприятиях сегодня работают теплоизоляционные покрытия на основе различных видов этого материала.