Андрей Смирнов
Время чтения: ~22 мин.
Просмотров: 0

Общая информация об аэрогеле

Плюсы и минусы аэрогелевой изоляции

Среди достоинств утеплителя выделяют: • незначительную теплопроводность; • гидрофобность; • универсальность; • стабильность к деформациям. Изделия возможно применять в разных конструкциях и в сочетании с любыми строительными материалами.

Несмотря на вышеперечисленные положительные стороны, аэрогель имеет один существенный недостаток. Изоляция не выдерживает открытой кислородной среды. Попадая в нее вещество мгновенно растворяется.

На сегодняшний день уже есть позитивные отзывы о теплоизоляции аэрогелем. Отечественный институт, занимающийся научными исследованиями, активно использует инновационное изделие листового типа для внутреннего и внешнего утепления в оборудованиях. При этом температура агрегата достигает 310°С.

Свойства аэрогелей

На фото ниже представлен один из самых распространенных
аэрогелей — из диоксида кремния. Его еще называют «голубым дымом» за красивый
опалово-голубоватый оттенок. Внешне этот аэрогель выглядит как кусок льда, но
на самом деле он удивительно легкий и
твердый. И совершенно сухой. На ощупь похож на пенопласт, но никак не на желе
или лед. Если уронить кусочек такого «дыма» на твердую поверхность, то он
запрыгает, как надувной мячик, а звук будет похож на звон стеклянной елочной
игрушки.

Существуют и другие аэрогели самых разных расцветок, но такие же невесомые. Какими свойствами обладает этот материал? Вот наиболее
характерные:

очень низкая плотность (до 160 грамм на кубический метр),
то есть в шесть раз легче воздуха;
крайне низкая теплопроводность (до 0,016 ватт на метр на кельвин), в 10 раз
ниже, чем у дерева;
низкая скорость распространения звука (до 70 метров в секунду);
чрезвычайно низкий коэффициент преломления света (до
1.0002);
электрическая проводимость может меняться в широких
пределах в зависимости от используемого материала.

Большинство аэрогелей легко ломаются руками, несмотря на
свою твердость. То есть они хрупкие, но твердые — некоторые выдерживают без разрушения вес,
превышающий собственный в 4000 раз.

Кирпич поддерживается эфемерным брусочком из диоксида кремния

Впрочем, уже созданы
пластичные аэрогели, которые можно гнуть и по которым можно даже стучать молотком. Как
раз такие материалы планируется использовать для утепления скафандров, создаваемых в
рамках будущей марсианской экспедиции. И не только скафандров — производители
одежды и туристического снаряжения уже сейчас активно экспериментируют с подобными
материалами.

У аэрогелей есть еще один уникальный параметр — отношение
площади полной поверхности к весу: до 3200 квадратных метров на грамм. Это означает, что если представить площадь всей поверхности в
виде единой плоскости, то одного грамма этого материала хватит, чтобы покрыть половину
футбольного поля! Как такое может быть? Все дело в структуре этого удивительного материала. Оказывается, что аэрогель — это почти сплошная «дырка от бублика»:
сверхтонкие твердые стеночки толщиной всего в несколько нанометров (одна
миллионная миллиметра) образуют сложный трехмерный лабиринт из пор и слоев.
Сами поры имеют размеры от десятков до сотен нанометров и в обычных земных
условиях заполнены воздухом — он заполняет 90-99 процентов объема материала. А при
случае эти супергубки отлично заполняются и чем-то еще. Например, нефтью,
разлитой по поверхности моря из-за аварии танкера. Кроме того, такая огромная
площадь при столь малом весе замечательно подходит для создания ионисторов — суперконденсаторов с емкостью в сотни и тысячи фарад (емкость обычного
конденсатора обычно измеряется микрофарадами). Возможно, именно они заменят в
ближайшем будущем классические аккумуляторы. И не забудем про катализаторы, ведь в них площадь
поверхности также играет решающую роль — от нее зависит эффективность воздействия катализатора на химическую реакцию.

Vantabalck

Vantabalck

Британская компания Surrey Nanosystems разработала материал, способный поглощать до 99,965% падающего света, что делает его самым чёрным материалом в мире. Название у него соответствующее – Vantabalck.

Такое удивительное свойство объясняется тем, что он образован углеродными нанотрубками, которые настолько малы, что фотоны просто не могут пройти между ними.

Казалось бы, чем может быть полезен самый чёрный материал? Он позволяет предотвращать рассеивание света, что можно применять в телескопах. С помощью Vantabalck можно значительно повысить качество инфракрасных камер. Его можно использовать при создании систем тепловой защиты.

Способность материала поглощать различные излучения открывает перспективу создания максимально лёгких и прочных покрытий космических кораблей, защищающих от радиации.

Интересно, что специалистам Surrey Nanosystems запрещено обсуждать с журналистами перспективы военного применения Vantabalck, а на вопрос о стоимости они отвечают максимально лаконично: «он очень дорогой». Но Vantablack в военной сфере, как минимум, можно применить для создания «температурного камуфляжа».

Какие исследования аморфного кремнезема проводились в области здравоохранения?

Организация Объединенных Наций по Экономическому Сотрудничеству и Развитию (ООНЭСР) изучает опасные свойства химических веществ, производимых в больших объёмах.Результаты исследований синтетического аморфного кремнезёма (САК) были опубликованы в 2004 году. Согласно заключению экспертизы, САК не приоритетен для дальнейшего исследования. Отрывки из отчета о воздействии САК на здоровье человека приведены ниже:Впитывание, накопление, выведение: формы аморфного кремнезема быстро выводятся из легких во время и после длительного вдыхания лабораторными животными, в то время как кристаллические формы кремнезема демонстрируют ярковыраженную тенденцию накапливаться и оставаться в легких и лимфатических узлах. Впитывание в кишечнике САК у людей и животных наблюдается незначительное. Есть свидетельство выведения биодоступных частиц через почки.

Кратковременный токсический эффект: Опыты на крысах, вдыхающих высокие концентрации САК (от 140 до ~ 2000 мг/м³) не вызвали смертельных исходов. Пероральный прием аморфного кремнезема и аморфных силикатов а также контакт с кожей не привели к смертности даже в самых высоких дозах: диапазон LD0 значений от 3300 до 20000 мг/кг.

Раздражение и аллергические реакции: САК и силикаты не раздражают кожу и глаза в экспериментальных условиях, но могут вызывать сухость при длительном и регулярном использовании.

Несмотря на то, что, эксперименты по изучению аллергических реакций на САК и силикаты не проводились, однако, длительный опыт использования данных материалов говорит о том, что за последние 50 лет у САК не выявлено потенциала для аллергических реакций кожи. Как было сказано выше, есть отчеты, описывающие сухость и раздражение кожных покровов, которые могут ошибочно приниматься за аллергию. Медицинские наблюдения рабочих, собранные за демятки лет, не дали никаких доказательств появления кожной аллергии.
Агентство по охране окружающей среды США (АОС США) рассмотрело ряд исследований токсичности синтетического аморфного кремнезёма в том числе четыре исследования критической токсичности (исследование на острую интоксикацию LD50 у крыс, тест на вдыхание LC50 у крыс, первичное раздражение глаз кроликов и первичные кожные раздражения у кроликов). Краткое содержание результатов исследования Агентства по охране окружающей среды США изложены ниже:

1. Исследования критической токсичности. В результате исследований последствий вдыхания  и применения внутрь САК смертности не наблюдалось. По первичному раздражению глаз: не было помутнения роговицы или раздражения радужной оболочки глаза. По воздействию на кожу: в течение 72-часового исследования не наблюдалось раздражения кожных покровов.По изучению кратковременного токсического эффекта: при употреблении внутрь LD50 составляет: 5000 мг/кг.По изучению воздействия САК при вдыхании: LC50 составляет: 2,08 мг/л.
Все исследования были проведены с учётом IV категории токсичности.
2. Исследования на мутагенность. Во всех четырех исследованиях не было никаких признаков любой мутагенной активности, связанной с воздействием САК.
3. Пероральная токсичность. Не выявлено смертельных исходов или клинических симптомов. Не было существенной разницы между группой испытуемых и контрольной группой в плане концентрации кремнезема в организме.

Опираясь на анализ вышеперечисленных исследований, АОС США пришло к следующим заключениям:
Кремнезем аморфный, пирогенный, (некристаллический) имеет доказанное отсутствие токсичности. По результатам исследования кратковременного токсического эффекта причислен к категории токсичности ІV. Результат на мутагенность отрицательный. Кремнезем аморфный, пирогенный, (некристаллический) не классифицируется по его канцерогенности, однако при его аморфной структуре, он не может представлять онкогенного риска. Считается, что кремнеземы инертны при проглатывании, и в связи с большим молекулярным весом они не могут впитываться через кожу. Относительно здоровья человека не должно быть беспокойства, независимо от того, каким по продолжительности был контакт с САК.

Воздействие синтетического аморфного кремнезема на здоровье существенно отличается от воздействия кристаллического кремнезёма.
В результате эпидемиологических исследований длительного преднамеренного воздействия САК на работающих с данным материалом сотрудников силикоз не наблюдался.
Исследования на различных видах животных показали, что продукты аморфного кремнезема полностью выводятся из лёгких.
Международное Агенство по исследованию рака признает САК не онкогенным для здоровья человека (3 группа).

Что такое нанотехнологии Aspen Aerogels?

Нанотехнологичность продуктов Aspen Aerogels заключается в мельчайших пустотах, включенных в гелевую матрицу аморфного кремнезема. Данные пустоты позволют достичь превосходных теплоизоляционных качеств утеплителей Aspen Aerogels. Частицы аэрогеля намного больше, чем нанометр (10⁻9 м). Поры (или воздушное пространство) в структуре аэрогеля — в пределах нанометра. Однако для того, чтобы разделить частицы аэрогеля, потребуется огромное количество энергии.

Согласно общепринятому определению, наночастицы- это дисперсивные частицы, в двух или трех измерениях больше чем 1 нм и меньше, чем 100 нм.
Пять различных видов аэрогелевой пыли были протестированы независимой лабараторией с использованием лазерного рассеивателя Malvern Mastersizer 2000. Этот инструмент подсчитывает объемное распределение множества частиц от лазерного рассеивания. Итоги исследования показаны в таблице 1 и графике 1. Частицы размером менее 0,710 микрон (710 нм) не были обнаружены ни в одном из анализируемых образцов. Т.о. размер мельчайшей частицы аэрогеля более чем в 7 раз больше, чем самая большая наночастица.

Информация о размере частиц (Malvern)
Распределение размеров частиц

    0,71                7,096                   70,936           709,627

Размер частиц (мкм)

Нанопористая теплоизоляция Cryogel x201

Cryogel x201 — гибкая нанопористая теплоизоляция для криогенной техники. Обеспечивает максимальную тепловую защиту при минимальном весе и толщине в диапазоне температуры от -200 до 200оС. Плотность аэрогеля Cryogel x201равна 130 кг/м3.

Криогель обладает уникальными свойствами: экстремально низкий коэффициент теплопроводности, высокая гибкость, непромокаемость, негорючесть. Такие характеристики делают материал незаменимым для тепловой защиты в условиях сверхнизких температур и криогеники.

Криогель производиться по запатентованной нанотехнологии на основе кварцевого аэрогеля с усилением микроволокнами, что позволяет материалу достигать непревзойденных теплоизолирующих свойств. Уникально низкая теплопроводность материала предотвращает потери тепла при минимальной массе и объеме теплоизолирующего слоя.

Применяется, как теплоизоляция для широкого спектра оборудования и трубопроводов, применение Криогеля повышает энергоэффективность оборудования, обеспечивает термостатирование транспортируемых или хранимых веществ, предотвращает образование конденсата и наледи.

Теплопроводность аэрогеля Pyrogel x201 представлена на графике в зависимости от температуры в интервале от -200 до 150°С.

Свойства и преимущества аэрогеля:

– высокая пористость. На 99,8%  состоит из воздуха,

– имеет рекорд по самой малой плотности у твердых тел — 1,9 кг/м³, это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха (кварцевые аэрогели),

– уникальный теплоизолятор. Имеет низкую теплопроводность – λ = 0,013 ~ 0,019 Вт/(м•К)  (в воздухе при нормальном атмосферном давлении) меньшую, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м•К) (кварцевые аэрогели). Как утеплитель в 2-5 раз эффективнее традиционных утеплителей,

– температура плавления составляет 1200°C (кварцевый аэрогель),

– аэрогель является прочным материалом. Он выдерживает нагрузку в 2000 раз больше собственного веса,

– имеет низкий модуль Юнга,

– не сжимается, устойчив к деформации, имеет высокую прочность на растяжение,

– скорость распространения звука имеет самое низкое значение для твердого материала, что является важным преимуществом при создании шумоизоляционных материалов.Скорость звука в нем ниже скорости звука в газах,

– некоторые виды аэрогеля являются отличным сорбентом. Они в 7-10 раз эффективнее популярных современных сорбционных материалов,

– является устойчивым пористым веществом. Объем пор внутри аэрогеля в десятки раз превышает объем, занятый самим материалом. Данное свойство позволяет использовать аэрогель определенного состава в качестве катализатора в химических процессах с целью получения органических соединений. С другой стороны, его большая внутренняя емкость может быть использована для безопасного хранения определенных веществ, например, ракетного топлива, окислителя и пр.,

– отличная гидрофобность. Не впитывает влагу,

– обладает высокой жаропрочностью и термостойкостью. Имеет широкий рабочий температурный диапазон использования – от -200 °С  до +1000 (1200) °С. Без потерь сохраняет теплоизоляционные и механические характеристики при нагревании до не менее 1000°С,

– является негорючим материалом. Может использоваться также для огнезащиты различных конструкций,

– прозрачен (кварцевый аэрогель). Имеет показатель преломления света от 1,1 до 1,02. Из него можно изготавливать различные виды стекол,

– обладает достаточно высокой твердостью,

– долговечность,

– экологичен и безопасен для человека и окружающей среды,

– имеет большую удельную площадь внутренней поверхности. Она составляет порядка 300-1000 м2/г,

– химический состав аэрогеля можно регулировать, легко вводить в его состав различные добавки, что открывает новые возможности для его использования,

– устойчив к кислотам, щелочам, растворам,

– в тоже время является хрупким материалом.

Титановая пена

Путем соединения пенополиуретановой губки, титанового порошка и специальных связующих компонентов у ученых появилась возможность создать из металла материал, по своей форме напоминающий губку (или пену). При его производстве основной каркас из пенополиуретана испаряется и в результате из титана получается своеобразная «пенная» конструкция, которую впоследствии при воздействии дополнительной температуры можно наделить нужными свойствами и формами.

Конечные свойства при этом будут зависеть от уровня пористости такой губки. Но самые основные — ее прочность и невероятная легкость — останутся. Посуду такой губкой, конечно же, не помоешь, а вот применить материал в качестве производства искусственных заменителей костей видится идеальным вариантом ее использования. Во-первых, материал по своим механическим свойствам практически идентичен костной ткани, а во-вторых, благодаря пористости, настоящая живая кость может в этот материал в буквальном смысле врасти. В общем, реальные «Росомахи» уже совсем скоро в вашем городе.

Калькулятор Веса Дома

Характеристики аэрогелевой теплоизоляции

Материал имеет нанопоры. Это существенно влияет на его вес. Среди свойств особенно выделяют: • небольшую плотность; • незначительную диэлектрическую проницаемость; • невысокую теплопроводность;

Отмечается большая удельная площадь поверхности. Такие характеристики позволяют считать утеплители из аэрогеля самыми лучшими. Продукт внедряется в военную, медицинскую, аэрокосмическую сферы. Сегодня особенно активно аэрогель используется в строительной области.

Нанопоры имеют такой диаметр, который не позволяет молекулам воздуха свободно двигаться. Они застывают в одном положении, защищая помещение от холодных или горячих воздушных потоков. Таким образом, статическое положение молекул предупреждает развитие конвекции, т.е. быстрое выветривание тепла.

Качество аэрогелевой изоляции во многом зависит от числа стенок пор. Чем их больше, тем утеплитель будет лучше удерживать тепло. Отмечается возможность материала задерживать его в самом себе. Продукт принадлежит к пожаробезопасным веществам. Гель относят к огнестойкому стандарту А1 класса. Что касается водонепрорицаемости, то ее степень достигает практически 100%. Поэтому при попадании на изделие воды теплоизоляционные качества утеплителя не ухудшаются. Это связано с возможностью материала отталкивать влагу. После попадания на поверхность она оседает, не проникая внутрь.

Структура продукта такова, что при существенном увеличении температуры она предупреждает спекание частиц. Особое пространственное строение также способствует медленной изнашиваемости прокладок. Высокая прочность – еще одна уникальная характеристика изделия. Оно способно сопротивляться разным видам растяжения. Отлично противостоит напряжению, которое происходит от усадки и температурных перепадов. Выдерживает воздействие неорганических растворителей.

Во время использования аэрогелевая теплоизоляция хорошо защищает помещение от внешних звуков и шумов благодаря структуре низкой плотности. Теплопроводность вещества колеблется от -250°С до 1200°С.

Простота монтажа

Изоляция отводов

Изделия для изоляции отводов поставляются в виде плоских элементов, что позволяет сократить транспортный объем и время монтажа

рис. 1рис. 2рис. 3рис. 4
  •  Изделия упаковываются и транспортируются в плоском виде (рис. 1).
  •  Изделия для изоляции отводов (в т.ч. многослойные) монтируются и фиксируются по месту (рис. 2, рис. 3).
  •  Поверхность готовой теплоизоляционной конструкции защищается паронепроницаемым и влагонепроницаемым покрытием (рис. 4).

Применение аэрогеля максимально упрощает монтаж изоляции труб отопления, водоснабжения, канализации и технологических трубопроводов, а также фитингов и технологического оборудования непосредственно на местах.

Изоляция прямых участков

Графеновый аэрогель

Графеновый аэрогель

В последнее десятилетие аэрогелям, разработанным, как класс материалов ещё в 1931 году, начали уделять гораздо больше внимания. Здесь тоже не обошлось без углерода. Ещё в 2011 году на основе многослойных углеродных нанотрубок был создан аэрогель, обладающий плотностью 4 мг/см3. Почти каждый год появлялись аэрогели с более низкой плотностью и на сегодняшний день самым лёгким материалом является графеновый аэрогель, плотность которого всего 0,16 мг/см3.

Удивительно, но полученный специалистами материал обладает чрезвычайно высокими прочностью и упругостью. Он максимально быстро возвращает форму после сжатия. За одну секунду он способен впитать до 68 граммов органических соединений. При этом аэрогель удерживает не растворяющиеся в воде вещества до 900 раз больше собственного веса.

Таким образом, в случае катастрофы, например, разлива нефти, её всю можно будет не только собрать с поверхности воды, но и практически ничего не потерять, просто «отжав» из аэрогеля.
Помимо этого, аэрогель можно применять в качестве изоляционного материала, в системах аккумулирования энергии для катализации реакций и как наполнитель для сложных композитных материалов.

Производство Аэрогеля

Процесс производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических реакций гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и на выходе получается желеобразный продукт. Затем  спиртом из желе удаляется вода. Полное ее удаление – залог успешности всего процесса. Следующий шаг — «суперкритическое» высыхание. Оно производится в автоклаве при высоком давлении и температуре, в процессе участвует сжиженный углекислый газ.
Первенство в изобретении аэрогеля признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшего 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 ужимаясь.

Материально-техническое обеспечение

Применение изоляционных материалов на основе аэрогеля позволяет оптимизировать систему управления материального обеспечения поставок и логистики.

Пример сокращения времени на доставку материала (при использовании одной транспортной еденицы)

  • При условии обеспечения одинакового значения теплового потока, труба диаметром 80 мм при 150°C может быть изолирована с помощью 25 мм стекловолокна или 10 мм изоляционного материала на основе аэрогеля.

  • Рулон теплоизоляции на основе аэрогеля весом 20 кг изолирует 57 метров трубы диаметром 80 мм.

  • Использование для утепления трубопроводов, емкостей и оборудования материалов на основе аэрогеля вместо минеральной ваты позволяет сократить время доставки материала от склада на объект строительства в 7 раз.

Виды аэрогелевого утеплителя

Для строительных нужд продукт выпускается в виде рулонов. Это стекловолокнистый материал, который содержит в себе порошок из аэрогеля. На свойства теплоизолятора влияют: • химический состав материала; • структура основы; • внешнее покрытие изделия.

Выделяют несколько типов аэрогелевых утеплителей. Классификация учитывает температуру применения продукта. Чаще всего используют кремниевые изоляторы с незначительным введением оксида алюминия. Такие материалы могут выдерживать до 450°С. Есть компоненты, которые не боятся температуру в 700°С. Для получения такого продукта прибегают к добавке оксида титана. При увеличении теплотворных показателей у аэрогеля начнут ухудшаться другие важные параметры. Это связано с окислением вещества.

Выпускают композиции и для низких температур. Они обладают многослойной структурой. Качество паропроницаемости у таких материалов отсутствует. Их активно применяют для утепления холодных помещений. Показатели аэрогеля не ухудшатся даже при достижении области абсолютного нуля.

Сегодня производители предлагают несколько видов энергоэффективных изоляторов. Пирогель – материал для утепления промышленных трубопроводов, техники, работающей с высокой температурой. Криогель предназначен для утепления труб и техники, работающей с низкими температурами. Спейслофт создан экспертами для изоляции конструкций, расположенных в разных климатических условиях.

Использование

132 ячейки с аэрогелем космического аппарата «Стардаст» (NASA)

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 некоторые компании, например, United Nuclear, 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.

Пузырчатая алюминиевая пленка

Материал, изобретенный группой инженеров из Университета Северной Каролины, может оказаться очень полезным в производстве защитного оборудования и упаковок для товаров. Для его производства ученые берут лист алюминия, прокатывают по нему шиповатый ролик, чтобы создать равномерные углубления, заполняют эти углубления пенообразователем вроде карбоната кальция или гидрата тината, сверху помещают второй такой же лист, прокатывают и помещают в печь. Под воздействием высокой температуры начинается пенообразование и в итоге на месте этих самых «пузырьков» образуются воздушные прослойки.

Дальнейшие производственные испытания подтвердили, что такой металл весит на 30 процентов меньше, чем обычные листы, в то же время он почти 50 процентов прочнее и намного лучше впитывает воздействующую на него внешнюю энергию. Кроме того, стоимость производства подобного материала не такое уж и высокое, по сравнению с обычным. При этом сферы его применения практически неисчислимы: начиная от производства грузовых контейнеров, упаковок для хрупких вещей и заканчивая производством велосипедных шлемов.

Willow Glass

Willow Glass

Про противоударное стекло Gorilla Glass знают все, но как насчёт гибкого стекла, обладающего теми же свойствами по прочности? Познакомьтесь с Willow Glass — при толщине всего 100 микрон (толщина листа формата А4) оно сохранило устойчивость к механическим повреждениям на уровне «гориллы».

Самым очевидным применением для него видится создание гибких смартфонов, но эта идея не так уж и популярна. Но ведь речь о гибком и очень прочном стекле, так что проблем с его применением не возникнет. В компании-разработчике заявляют, что их продукт в перспективе будет повсеместно использоваться при создании, например, осветительной аппаратуры или даже солнечных батарей.

Абсолютно всё, что нас окружает, состоит из самых разнообразных материалов и, казалось бы, зачем создавать новые, если всё уже есть? Ответ очевиден: нам необходимо заботится об экологии, понимать, что ресурсы не безграничны, осваивать океан и новые миры и просто делать жизнь лучше для всех на Земле. Новые материалы – это всегда новые возможности для дальнейшего развития.

Искусственный паучий шелк

Шелк является удивительно прочным природным материалом, однако добывать его не так легко как кажется. Поэтому японская стартап-компания Spiber решила разработать способ производства синтетической версии этого материала. Компании удалось определить ген фиброина, являющегося ключевым компонентом, который позволяет паукам производить паутину.

Определив этот ген, компания биоинженерным способом создала бактерию, которая может производить шелк невероятно быстро. Более того, такой подход открыл Spiber возможность создавать новые типы шелка за очень короткий период времени, буквально в течение 10 дней от начала разработки и до внедрения ее в производство. При этом бактерия не очень требовательна к еде, питается сахаром, солью и другими микроэлементами. После она производит специальный белок, который инженеры компании перемалывают в порошок, и затем уже из него создают материал, из которого можно делать не только нитки, но и придать вообще любую нужную форму. Одного грамма фиброина при этом хватает на производство 9 км шелковой нити.

К 2015 году Spiber планирует создать 10 метрических тонн этого чудо-материала.

Что такое гель

Итак, в основе уникальных свойств аэрогелей в первую очередь
лежит их пространственная структура с крошечными открытыми порами. Материал
стенок, безусловно, также имеет значение. Например, от него в значительной мере
зависят механические свойства, а также электропроводность конкретного аэрогеля.

Но как на практике можно получить такие замысловатые полые
«пузырики» с твердыми стенками? Ответ кроется в названии самого материала. Именно гели являются
исходным материалом для создания аэрогелей. Те самые гели, влажные и тяжелые, вроде
холодца. Всем известный желатин, между прочим, также подходит для создания
этого наноматериала. Кстати, а что такое гель? На ощупь мы все хорошо
представляем себе эту субстанцию, но что она представляет собой на микроуровне?
Оказывается, любой гель состоит из двух компонентов с разными физическими
свойствами: твердой фазы в виде непрерывной пористой пространственной
структуры, пронизывающей весь образец, и жидкой фазы, заполняющей поры. Причем
характерный размер твердой фазы — как раз десятки нанометров, ведь твердая фаза
в гелях — это обычно конгломераты наночастиц или длинных макромолекул.

Типичный гель можно себе представить в виде поролоновой губки для
мытья посуды, пропитанной жидкостью. Только поры в такой губке в сотни тысяч
раз меньше, чем в той, что у нас на кухне. А что получится, если удалить всю
жидкость из такой губки? Получится сухая губка с заполненными воздухом
порами. Так ведь это и есть аэрогель! Выходит, что для получения этого материала достаточно просто высушить любой гель? К сожалению, нет.
Практика показывает, что при испарении жидкой фазы гель начинает быстро уменьшаться
в объеме и, в конце концов, мы получим маленький плотный комочек сухого
вещества, а не желаемый пористый наноматериал со сверхмалой плотностью. Но почему
поролоновая губка высыхает, не уменьшаясь в
объеме, а ее гелевый аналог ведет себя совершенно по-другому? И как с этим
бороться?

Собственно говоря, коренным отличием нашей модели с
губкой от реального геля являются размеры пор: у губки они исчисляются
миллиметрами, а у гелей – десятками
нанометров, то есть разница составляет примерно пять порядков. Теперь представим себе, как происходит испарение
жидкости из пор: в какой-то момент жидкость перестает полностью их заполнять, и
появляется граница между жидкостью и парами этой жидкости, смешанными с
воздухом. Как известно, на границе жидкости всегда действуют силы
поверхностного натяжения, которые приводят к взаимодействию поверхности
жидкости и стенок сосуда (в нашем случае стенок пор). Если
стенки хорошо смачиваются, то поверхность жидкости приобретает вогнутую
форму и на стенки действует сила, тянущая их внутрь сосуда. Величина
этой силы, приходящаяся на единицу длины стенки поры вдоль границы
жидкости, не зависит от радиуса поры. Но при этом в геле стенки этих пор в тысячи раз тоньше, чем в
нашей губке. Получается, что прилагаемая к стенкам удельная сила в геле и
в губке одна и та же, а вот толщина этих стенок и, соответственно, их
механическая прочность — совсем разные. Не удивительно, что поры губки выдерживают высыхание наполняющей их жидкости, а
поры геля — нет. Отсюда и «скукоживание» геля при высыхании — поверхность
жидкости в порах просто ломает хрупкие стенки одну за другой по мере испарения,
и в результате мы получаем сухой
слипшийся комок из изломанных стенок, а не ажурную конструкцию,
свойственную аэрогелям.

Графеновый аэрогель

Всего пару месяцев назад этот материал выбил себе титул самого легкого материала в мире. До этого пальма первенства в рамках этого свойства принадлежала аэрографиту, чья плотность составляет 0,18 мг/см3. В свою очередь плотность нового разработанного графенового аэрогеля составляет всего 0,16 мг/см3, что ниже чем у гелия и всего в два раза ниже, чем у водорода. Графеновый аэрогель в буквальном смысле может «плавать» в воздухе.

Аэрогель был создан благодаря применению лиофилизации (предварительной заморозке, а затем последующей высушке в вакууме) соединенных между собой углеродных нанотрубок и графена. В результате получился невероятно легкий материал, обладающий удивительной прочностью и эластичностью. Его впитывающие свойства поражают не меньше — материал способен впитать в себя различные органические вещества в общей сложности в 900 раз больше своего собственного веса. Когда и если графеновый аэрогель станет более доступным, то он отлично справится с ролью изоляционного материала и станет отличным средством для сбора, например, разлившейся нефти.

Аэрогель, что это за материал?

Аэрогель (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и отсутствием водопоглощения.

Нередко аэрогель называют “замороженным дымом” из-за его внешнего вида. С виду он чем-то походит на застывший дым. На ощупь аэрогель напоминает легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта.

Аэрогель представляет собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм, жестко соединенных между собой. Этот каркас занимает малую часть объема от 0,13 до 15%, все остальное приходится на поры.

Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов.

Распространены аэрогели различной природы: как неорганической – на основе аморфного диоксида кремния (SiO2), глинозёмов (Al2O3), графена (называется аэрографен), графита (называется аэрографит), а также оксидов хрома и олова, так и органической – на основе полисахаридов, силикона, углерода. В зависимости от основы аэрогели проявляют различные свойства. Вместе с тем имеются общие свойства, характерные для всего класса данного материала.

Как теплоизолятор изготавливается в виде матов, рулонов.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации