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
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
Сайт о нанотехнологиях #1 в России
Химики придумали новый способ получения аэрографена – необычайно легкого материала с уникальными свойствами
Когда мы говорим о чем-то легком и невесомом, то часто употребляем прилагательное «воздушный». Однако воздух все равно обладает массой, хоть и небольшой – один кубометр воздуха весит немногим более килограмма. Можно ли создать твердый материал, который занимал бы собой, к примеру, кубический метр, но при этом весил бы меньше килограмма? Такую проблему решил еще в начале прошлого века американский химик и инженер Стивен Кистлер, который известен как изобретатель аэрогеля.
Аэрогели представляют собой удивительно легкие материалы, обладающие к тому же заметной прочностью. Так, кубик аэрогеля может выдерживать на себе вес, в тысячу раз превышающий его собственный. Фото: Kevin Baird/Flickr
Наверное, у большинства читателей первая ассоциация со словом «гель» связана с каким-нибудь косметическим средством или бытовой химией. Хотя на самом деле гель – это вполне химический термин, которым называют систему, состоящую из трехмерной сетки макромолекул, своего рода каркаса, в пустотах которого находится жидкость. За счет этого молекулярного каркаса тот же гель для душа не растекается по ладони, а принимает осязаемую форму. Но назвать такой обычный гель воздушным никак нельзя – жидкость, которая составляет большую его часть, почти в тысячу раз тяжелее воздуха. Вот тут у экспериментаторов и возникла идея, как сделать ультралегкий материал.
Созданная с помощью 3D печати макроструктура аэрографена придает ему уникальные механические свойства, при этом материал не теряет своей «графеновой» природы. Фото: Ryan Chen/LLNLСозданная с помощью 3D печати макроструктура аэрографена придает ему уникальные механические свойства, при этом материал не теряет своей «графеновой» природы. Фото: Ryan Chen/LLNL
Если взять жидкий гель, и каким-то способом убрать из него воду, заменив ее на воздух, то в результате от геля останется только каркас, который будет обеспечивать твердость, но при этом практически не иметь веса. Такой материал и получил название аэрогеля. С момента его изобретения в 1930 году среди химиков началось своего рода соревнование по созданию самого легкого аэрогеля. Долгое время для его получения использовали в основном материал на основе диоксида кремния. Плотность таких кремниевых аэрогелей составляла от десятых до сотых долей грамма на кубический сантиметр. Когда в качестве материала стали использовать углеродные нанотрубки, то плотность аэрогелей удалось уменьшить еще практически на два порядка. Например, аэрографит имел плотность 0,18 мг/см3. На сегодняшний день пальма первенства самого легкого твердого материала принадлежит аэрографену, его плотность всего 0,16 мг/см3. Для наглядности, метровый куб, сделанный из аэрографена, весил бы 160 г, что в восемь раз легче воздуха.
В 2013 году химики создали аэрографен – на сегодняшний день самый легкий из известных твердых материалов. Его вес в восемь раз меньше веса воздуха, который занимает тот же объем. Фото: Imaginechina/Corbis
Однако химиками движет отнюдь не только спортивный интерес, и графен в качестве материала для аэрогелей стали использовать совсем не случайно. Сам по себе графен обладает массой уникальных свойств, которые во многом обусловлены его плоской структурой. С другой стороны, аэрогели тоже имеют особенные характеристики, одна из которых – огромная площадь удельной поверхности, которая составляет сотни и тысячи квадратных метров на грамм вещества. Такая огромная площадь возникает из-за высокой пористости материала. Совместить специфические свойства графена с уникальной структурой аэрогелей у химиков уже получилось, но исследователям из Ливерморской национальной лаборатории для создания аэрографена зачем-то понадобился еще и 3D принтер.
Для того чтобы напечатать аэрогель, сперва потребовалось создать специальные чернила на основе оксида графена. Помимо того, что из них должен получится аэрографен, надо, чтобы такие чернила были пригодны для 3D печати. Решив эту задачу, химики получили в свои руки метод, по которому можно изготавливать аэрографен с нужной микроархитектурой. Это очень важно, поскольку кроме свойств, присущих графену, такой материал будет иметь еще и интересные физические свойства. Например, тот образец, который получили авторы исследования, оказался на удивление упругим – кубик из аэрографена можно было без вреда для материала сжимать в десять раз, при этом он не терял своих свойств при повторных сжатиях-растяжениях.
Способность к многократному сжатию отличает напечатанный аэрографен от полученного «обычным» путем. Одним из практических применений нового аэрографена могут стать гибкие электрические аккумуляторы, где большая внутренняя поверхность материала будет использована в качестве электрода, в то время как напечатанная структура придаст ему нужную гибкость.
Источник
Графеновый аэрогель — сверхлёгкий материал
Если вы следите за новинками в мире современных технологий, то данный материал не будет для вас большой новостью. Тем не менее, рассмотреть более детально самый легкий материал в мире и узнать еще немного подробностей полезно.
Менее года назад звание самого легкого в мире материала получил материал под названием аэрографит. Но этому материалу не получилось долго удерживать пальму первенства, ее не так давно перехватил другой углеродный материал под названием графеновый аэрогель. Созданный исследовательской группой лаборатории Отдела науки о полимерах и технологиях университета Чжэцзяна (Zhejiang University), которую возглавляет профессор Гэо Чэо (Gao Chao), сверхлегкий графеновый аэрогель имеет плотность немного ниже плотности газообразного гелия и чуть выше плотности газообразного водорода.
Аэрогели, как класс материалов, были разработаны и получены в 1931 году инженером и ученым-химиком Сэмюэлем Стивенсом Кистлером (Samuel Stephens Kistler). С того момент ученые из различных организаций вели исследования и разработку подобных материалов, невзирая на их сомнительную ценность для практического использования. Аэрогель, состоящий из многослойных углеродных нанотрубок, получивший название «замороженный дым» и имевший плотность 4 мГ/см3, потерял звание самого легкого материала в 2011 году, которое перешло к материалу из металлической микрорешетки, имеющему плотность 0.9 мГ/см3. А еще год спустя звание самого легкого материала перешло к углеродному материалу под названием аэрографит, плотность которого составляет 0.18 мг/см3.
Новый обладатель звания самого легкого материала, графеновый аэрогель, созданный командой профессора Чэо, имеет плотность 0.16 мГ/см3. Для того, чтобы создать столь легкий материал, ученые использовали один из самых удивительных и тонких материалов на сегодняшний день — графен. Используя свой опыт в создании микроскопических материалов, таких, как «одномерные» графеновые волокна и двухмерные графеновые ленты, команда решила добавить к двум измерениями графена еще одно измерение и создать объемный пористый графеновый материал.
Вместо метода изготовления по шаблону, в котором используется материал-растворитель и с помощью которого обычно получают различные аэрогели, китайские ученые использовали метод сублимационной сушки. Сублимационная сушка коолоидного раствора, состоящего из жидкого наполнителя и частиц графена, позволила создать углеродистую пористую губку, форма которой почти полностью повторяла заданную форму.
«Отсутствие потребности использования шаблонов размеры и форма создаваемого нами углеродного сверхлегкого материала зависит только от формы и размеров контейнера» — рассказывает профессор Чэо, — «Количество изготавливаемого аэрогеля зависит только от величины контейнера, который может иметь объем, измеряемый тысячами кубических сантиметров».
Получившийся графеновый аэрогель является чрезвычайно прочным и упругим материалом. Он может поглотить органические материалы, в том числе и нефть, по весу превышающие в 900 раз его собственный вес с высокой скоростью поглощения. Один грамм аэрогеля поглощает 68.8 грамма нефти всего за одну секунду, что делает его привлекательным материалом для использования в качестве поглотителя разлитой в океане нефти и нефтепродуктов.
Помимо работы в качестве поглотителя нефти графеновый аэрогель имеет потенциал для использования в системах аккумулирования энергии, в качестве катализатора для некоторых химических реакциях и в качестве наполнителя для сложных композитных материалов.
Источник