Аэрогель своими руками как сделать

Аэрогель

Аэрогель – класс материалов, представляющих собой гель.

Аэрогель – 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.

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.

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,

– экологичен и безопасен для человека и окружающей среды,

– имеет большую удельную площадь внутренней поверхности. Она составляет порядка 300-1000 м 2 /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.

Применение аэрогеля:

– в научных исследованиях в области ядерной физики,

– для теплоизоляции зданий, сооружений, складов, холодильников, нефтепроводов, труб, прочих объектов и оборудования,

Источник

Как создать аэрогель: новосибирские эксперименты

Аэрогели — это особые структуры, в которых жидкая фаза полностью замещена газообразной. Они обладают целым рядом уникальных свойств: твёрдостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и так далее.

Как же производят аэрогель? Его синтез состоит из нескольких стадий. Сначала необходимо смешать раствор, содержащий соединения кремния, с катализатором и водой. После протекания химической реакции в нем появляются очень маленькие, размером в несколько нанометров, нерастворимые частицы кремнезема. Когда их становится много, они начинают слипаться в длинные цепочки, которые затем переплетаются, и масса становится неподвижной. Далее получившееся вещество затвердевает: образуется гель, по виду напоминающий студень. Из-за того, что структура твердой фазы этой субстанции очень нежная, ее приходится сушить в особых, сверхкритических условиях. Искусство состоит в том, чтобы блоки материала получились целыми и прозрачными. При всех полезных свойствах они довольно хрупкие — их легко сломать руками.

Научные исследования по разработке технологии синтеза аэрогеля в СССР начались в новосибирском Академгородке тридцать лет назад. Работы инициировал сотрудник Института ядерной физики СО АН СССР доктор физико-математических наук Алексей Павлович Онучин, известный ученый, специалист в области экспериментов на встречных пучках. Для этих опытов физики традиционно используют черенковские счетчики, которые детектируют излучение Вавилова-Черенкова. Его вспышку вызывает заряженная частица, движущаяся в определенной среде, и лучше всего для регистрации фотонов по своим свойствам подходит именно аэрогель.

Источник

Силикатный аэрогель домашней выпечки

Раз уж было сказано несколько слов об аэрогелях — вот некоторое развитие темы. Это перевод записи из блога человека, который делал силикатный аэрогель у себя в мастерской по рецепту с сайта.

Сам автор — Ben Krasnow
Оригинал поста на Blogspot.

Изготовление силикатного аэрогеля дома

Я следовал инструкциям из рецепта с ТМОС (тетраметилортосиликат), который приведён на http://www.aerogel.org и успешно получил несколько кусочков аэрогеля в своей домашней мастерской.
Два момента вызвали наибольшую сложность: 1. Достать ТМОС или ТЭОС (ключевой химический ингредиент) и 2. Соорудить сверхкритическую сушильную камеру. Детали для камеры можно купить на http://www.mcmaster.com или у любого другого поставщика промышленных фитингов для труб. Вам также потребуется запас жидкой двуокиси углерода. Я использовал 20 фунтовый (9,1 кг) цилиндр, купленный в местном магазине сварочных материалов. Большую часть стоимости составил именно сам цилиндр, расходные материалы обошлось всего в $20 или $30. Возможно, вам удастся найти поставщика, у которого можно было бы арендовать цилиндр.

Достать ТМОС довольно сложно, поскольку поставщики химической продукции очень неохотно продают что-либо физическим лицам.

Процесс изготовления аэрогеля:

1. Смешайте ТМОС, метанол и гидроксид аммония. Вылейте смесь в формы и дайте гелю застыть.
2. Погрузите гель в метанол и подождите день, пока оставшаяся в геле вода растворится в метаноле.
3. Вылейте использованный метанол и замените его чистым. Подождите ещё день и повторите процесс. Так нужно будет сделать несколько раз в течение трёх дней.
4. Переместите гель сверхкритическую сушильную камеру и наполните её метанолом.
5. Добавьте жидкий диоксид углерода, откройте сливной вентиль камеры и слейте метанол. Убедитесь, что кусочки геля всё время находятся в жидком CO2.
6. Подождите день, пока метанол растворится в жидком CO2.
7. Откройте сливной вентиль и вылейте ещё немного метанола, растворившегося в CO2.
8. Повторите процедуру слива метанола, но убедитесь, что гель всё время остаётся погруженным в жидкий CO2. Пару раз в течение 2-3 дней повторите слив/замену CO2.
9. Поднимите температуру в камере, чтобы CO2 стал сверхкритическим. Медленно откройте отдушину, продолжая нагревать камеру, чтобы CO2 перешёл из сверхкритического в газообразное состояние. Медленно выпустите весь CO2 из камеры, после чего извлеките из неё готовый аэрогель.

Из комментариев:

jstults написал.
Почему они так боятся продавать ТМОС отдельным людям?

Ben Krasnow написал.
jstults, большинство химических поставщиков не станут ничего продавать отдельным покупателям — вне зависимости от того, опасно вещество или нет. Несчастный случай или ненадлежащее использование химического препарата может привести к судебному иску и плохо сказаться на репутации поставщика, поэтому начальство многих компаний решило, что им выгоднее забыть о деньгах физических лиц, но избежать связанных с этим рисков. Плохая новость для тех, кто занимается наукой дома, но это вряд ли изменится. Лучшее, на что мы можем надеяться — это что хакерспейсы зарекомендуют себя достаточно хорошо, чтобы получить возможность заказывать химикалии для своих членов. Сейчас, подозреваю, многие хакерспейсы столкнутся с трудностями, пытаясь что-нибудь заказать у компаний вроде Sigma Aldrich.

Отличная работа с аэрогелями и документацией. Вот несколько хитростей, которые ты мог бы попробовать применить, чтобы трещин было меньше:

1. Доверху заполни сушилку MeOH перед тем как начнёшь нагнетать давление. Нужно убедиться, что когда ты поднимешь давление, гель будет полностью скрыт жидкостью.

2. Вначале спускай сжатый метанол по частям (20-30% за раз) с перерывами, прежде чем заменить чистым CO2. Смешение различных растворителей создаёт внутри геля перепад давления, когда чистый MeOH пытается испариться. Именно это в действительности — главный «таинственный» источник трещин.

3. Вопреки тому, что подсказывает интуиция, похоже, что термальное расширение, НЕ главная причина появления трещин в аэрогелях. Что и в самом деле существенно в этом случае — это скорость, с которой повышается и понижается давление. Также важно изначально замедлить замену MeOH на CO2, как это описано выше.

Источник

Аэрогель из графена и углеродных нанотрубок лишен недостатков своих предшественников

Рис. 1. A — кирпич массой 2,5 кг на аэрогеле массой 2 г. B — демонстрация теплоизолирующих свойств аэрогеля (цветок на куске аэрогеля, лежащем над пламенем горелки). C — аэрогель после тестового обстрела частицами на Земле в процессе подготовки миссии Stardust. Фотографии с сайта stardust.jpl.nasa.gov

Сочетание графена и углеродных нанотрубок позволило получить углеродный аэрогель, лишенный недостатков аэрогелей только из графена или только из нанотрубок. Новый композитный материал из углерода помимо обычных для всех аэрогелей свойств — чрезвычайно низкой плотности, твердости и низкой теплопроводности — обладает также высокой эластичностью (способностью восстанавливать форму после многократных сжатий и растяжений) и прекрасной способностью абсорбировать органические жидкости. Это последнее свойство может найти применение для ликвидации разливов нефти.

По определению, гель — это один из видов коллоидных систем, представляющий собой взвесь жидких частиц в твёрдом теле. Твердого компонента в геле намного меньше по объему, чем жидкого, но он представлен частицами нанометрового размера, контактирующими друг с другом и образующими разветвленную сеть из цепочек и листов, непрерывно пронизывающую весь объем геля. Именно за счет этого гель сопротивляется текучести и является студенистым или даже упругим, а не жидким. Если жидкую фазу полностью заместить газообразной (например, воздухом), мы получим аэрогель. Твердая фаза занимает в нем меньше 15% объема — как правило, около 1% или даже меньше.

Обычно для приготовления аэрогелей используют два родственных метода. Первый из них — сверхкритическая сушка. Если просто высушить гель, отступающая жидкость будет стягивать сетку наночастиц, поэтому сушку нужно проводить при условиях, в которых нет поверхностного натяжения, то есть когда жидкость находится в сверхкритическом состоянии.

Представим себе, что мы нагреваем замкнутый сосуд с жидкостью и парами этой жидкости. Чем выше температура, тем больше жидкости будет испаряться, переходя в газовую фазу, и тем выше будет давление, а вместе с ним и плотность газовой фазы (фактически — количество испарившихся молекул). При определённых давлении и температуре, величина которых будет зависеть от того, что за вещество в сосуде, плотность молекул в жидкости окажется такой же, как в газовой фазе. Такое состояние жидкости и называют сверхкритическим. В этом состоянии нет различия между жидкой и газовой фазой, а поэтому нет и поверхностного натяжения.

Еще более легкие (менее плотные) аэрогели получаются методом химического осаждения вещества, которое будет выполнять роль твердой фазы аэрогеля, на ранее приготовленную пористую подложку, которую затем растворяют. Этот метод позволяет регулировать плотность твердой фазы (путем регулирования количества осаждаемого вещества) и ее структуру (путем использования подложки с необходимой структурой).

Благодаря своей структуре аэрогели обладают набором уникальных свойств. Хотя их прочность приближается к прочности твердых тел (рис. 1A), по плотности они близки к газам. Так, лучшие образцы кварцевого аэрогеля имеют плотность около 2 мг/см 3 (плотность входящего в их состав воздуха — 1,2 мг/см 3 ), что в тысячу раз меньше, чем у непористых твердых материалов.

Аэрогели обладают и крайне малой теплопроводностью (рис. 1B), поскольку теплу нужно пройти сложный путь по разветвленной сети из очень тонких цепочек наночастиц. При этом перенос тепла по воздушной фазе также затруднен из-за того, что эти же цепочки делают невозможной конвекцию, без которой теплопроводность воздуха очень низка.

Ещё одно свойство аэрогеля — его необычайная пористость — позволило доставить на Землю образцы межпланетной пыли (см. Сборщик звездной пыли возвращается домой, «Элементы», 14.01.2006) с помощью космического аппарата Stardust. Его устройство сбора представляло собой блок аэрогеля, попадая в который, частицы пыли останавливались с ускорением несколько миллиардов g, не разрушаясь (рис. 1C).

Главным недостатком аэрогеля до недавнего времени была его хрупкость: он растрескивался при повторных нагрузках. Все полученные на тот момент аэрогели — из кварца, некоторых оксидов металлов и углерода — обладали этим недостатком. Но с появлением новых углеродных материалов — графена и углеродных нанотрубок — проблема получения эластичных и устойчивых к разрушению аэрогелей была решена.

Графен — это лист толщиной в один атом, в котором атомы углерода образуют гексагональную решетку (каждая клетка решётки — шестиугольник), а углеродная нанотрубка — это такой же лист, свернутый в цилиндр толщиной от одного до десятков нанометров. Эти формы углерода обладают большой механической прочностью, эластичностью, очень высокой площадью внутренней поверхности, а так же высокой тепло- и электропроводностью.

Однако материалы, приготовленные отдельно из графена или отдельно из углеродных нанотрубок, тоже имеют свои недостатки. Так, аэрогель из графена плотностью 5,1 мг/см 3 не разрушался под нагрузкой, превосходящей его собственный вес в 50 000 раз, и восстанавливал форму после сжатия на 80% от исходного размера. Однако из-за того, что графеновые листы обладают недостаточной жесткостью при изгибе, уменьшение их плотности ухудшает упругие свойства аэрогеля из графена.

Аэрогель из углеродных нанотрубок обладает другим недостатком: он более жесткий, но вообще не восстанавливает форму после снятия нагрузки, поскольку нанотрубки под нагрузкой необратимо изгибаются и перепутываются, а нагрузка плохо передается между ними.

Напомним, что деформация — это изменение положения частиц физического тела друг относительно друга, а упругая деформация — это такая деформация, которая исчезает вместе с исчезновением силы, ее вызвавшей. «Степень» упругости тела (так называемый модуль упругости) определяется зависимостью механического напряжения, возникшего внутри образца при приложении деформирующей силы, от упругой деформации образца. Напряжение в данном случае — это сила, приложенная к образцу на единицу его площади. (Не путать с электрическим напряжением!)

Как продемонстрировала группа китайских ученых, эти недостатки полностью компенсируются, если использовать при приготовлении аэрогеля одновременно графен и нанотрубки. Авторы обсуждаемой статьи в Advanced Materials использовали водный раствор нанотрубок и оксида графена, вода из которого была удалена путем замораживания и сублимации льда — лиофилизации (см. также Freeze-drying), при которой также устраняются эффекты поверхностного натяжения, после чего оксид графена был химически восстановлен до графена. В получившейся структуре графеновые листы служили каркасом, а нанотрубки — ребрами жесткости на этих листах (рис. 2A, 2B). Как показали исследования под электронным микроскопом, графеновые листы перекрываются друг с другом и образуют трехмерный каркас с порами размером от десятков нанометров до десятков микрометров, а углеродные нанотрубки образуют перепутанную сеть и плотно прилегают к графеновым листам. По-видимому, это вызвано выталкиванием нанотрубок растущими ледяными кристалами при замораживании исходного раствора.

Рис. 2. Вверху (A, B): микроструктура композитного аэрогеля из графена и нанотрубок при разных увеличениях. Внизу (C, D): образцы аэрогеля. Фотографии из обсуждаемой статьи в Advanced Materials

Плотность образца составила 1 мг/см 3 без учета воздуха (рис. 2C, 2D). А согласно расчетам в представленной авторами структурной модели, минимальная плотность, при которой аэрогель из использованных исходных веществ еще сохранит целостность структуры, составляет 0,13 мг/см 3 , что почти в 10 раз меньше плотности воздуха! Авторы смогли приготовить композитный аэрогель с плотностью 0,45 мг/см 3 и аэрогель только из графена плотностью 0,16 мг/см 3 , что меньше предыдущего рекорда, принадлежащего аэрогелю из ZnO, осажденному на субстрат из газовой фазы. Уменьшения плотности можно достичь, используя более широкие листы графена, но при этом снижается жесткость и прочность полученного материала.

При испытаниях образцы такого композитного аэрогеля сохраняли форму и микроструктуру после 1000 повторных сжатий на 50% от исходного размера. Сопротивляемость сжатию приблизительно пропорциональна плотности аэрогеля и во всех образцах постепенно возрастает с увеличением деформации (рис. 3A). В диапазоне от –190°С до 300°С упругие свойства полученных аэрогелей почти не зависят от температуры.

Рис. 3. Реакция образцов аэрогеля на повторные нагрузки и на растяжение. A — зависимость напряжения от деформации в испытаниях аэрогеля плотностью 1 мг/см 3 на повторные нагрузки при сжатии (черная линия — первый цикл, красная — десятый, синяя — 1000-й). B — испытания образца аэрогеля плотностью 1,5 мг/см 3 на растяжение. Обратите внимание, что напряжение на правом графике приведено в кПа, а на левом — в Па. При растяжении на 10% наблюдается в десятки раз большее напряжение, чем при таком же сжатии, что говорит о гораздо большей жесткости материала при растяжении. Рисунок из обсуждаемой статьи в Advanced Materials

Испытания на разрыв (рис. 3B) были проведены для образца с плотностью 1 мг/см 3 , и образец выдержал растяжение на 16,5%, что совершенно немыслимо для оксидных аэрогелей, которые при растяжении трескаются сразу. Кроме того, жёсткость при растяжении выше, чем при сжатии, то есть образец сминается легко, а растягивается с трудом.

Этот набор свойств авторы объяснили синергетическим взаимодействием графена и нанотрубок, при котором свойства компонентов взаимно дополняют друг друга. Углеродные нанотрубки, покрывающие графеновые листы, служат связью между соседними листами, которая улучшает передачу нагрузки между ними, а так же ребрами жесткости для самих листов. Благодаря этому нагрузка приводит не к движению листов друг относительно друга (как в аэрогеле из чистого графена), а к упругой деформации самих листов. А поскольку нанотрубки плотно прилегают к листам и их положение задается положением листов, они не испытывают необратимых деформаций и перепутывания и не движутся друг относительно друга под нагрузкой, как в неэластичном аэрогеле только из нанотрубок. Оптимальными свойствами обладает аэрогель, состоящий поровну из графена и нанотрубок, а с увеличением содержания нанотрубок они начинают образовывать «колтуны», как в аэрогеле только из нанотрубок, что приводит к потере эластичности.

Кроме описанных упругих свойств композитный углеродный аэрогель обладает и другими необычными свойствами. Он электропроводен, причем электропроводность обратимо меняется при упругой деформации. Кроме того, аэрогель из графена и углеродных нанотрубок отталкивает воду, но при этом прекрасно абсорбирует органические жидкости — 1,1 г толуола на воде было полностью абсорбировано куском аэрогеля весом 3,2 мг за 5 секунд (рис. 4). Это открывает прекрасные возможности для ликвидации разливов нефти и очищении воды от органических жидкостей: всего 3,5 кг такого аэрогеля могут абсорбировать тонну нефти, что в 10 раз больше, чем емкость коммерчески используемого абсорбента. При этом абсорбент из композитного аэрогеля регенерируем: благодаря его эластичности и термической стойкости абсорбированная жидкость может быть выдавлена, как из губки, а остаток просто выжжен или удален испарением. Испытания показали, что свойства сохраняются после 10 таких циклов.

Рис. 4. Абсорбция аэрогелем органических жидкостей (в данном случае — подкрашенного толуола). На каждой фотографии справа внизу отмечено время, прошедшее от момента контакта аэрогеля и жидкости. Рисунок из обсуждаемой статьи в Advanced Materials

Разнообразие форм углерода и уникальные свойства этих форм и материалов, полученных на их основе, продолжают удивлять исследователей, так что в будущем можно ожидать все новых и новых открытий в этой области. Сколько всего можно сделать только из одного химического элемента!

См. также:
1) Wencai Ren & Hui-ming Cheng. When two is better than one // Nature. 2013. V. 497. P. 448–449.
2) Тим Скоренко. Когда воздух кажется тяжелым, «Популярная механика» №6, 2013.

Источник