Легкие аэрогели

Газы играют большую роль в промышленности и жизни общества. Газы помогают готовить пищу, распылять дезодоранты и даже веселить. Да, речь о гелии. Этот газ имеет самое широкий спектр применения, одно из которых — надувать шарики и помогать людям говорить смешным голосом. Заказать гелий можно по ссылке http://www.infrapro.ru/

Ученые Ливерморской лаборатории им. Лоренса, расположенной недалеко от Сан-Франциско, потратили почти шесть лет на создание того, чего как бы и не существует.
Голубоватый, будто призрачный материал, называемый аэрогелем, похож на нечто, возникающее на экране в виле калра комбинированной съемки из научно-фантастического фильма. Аэрогели всего в четыре раза тяжелее воздуха и часто при определенном освещении почти невидимы.

— Впечатление такое, будто ничего нет, — говорит Джон Поко, один из ученых, разработавших этот материал, состоящий на 99 процентов из воздуха.

Аэрогели были открыты в 1930 году С. Кистлером в соседнем с Лабораторией Станфордском университете. С тех пор они главным образом использовались для улавливания частиц в экспериментах по физике высоких энергий.
Группа ученых из Ливерморской лаборатории во главе с Лоренсом Хрубишем разработала способ изготовления аэрогелей, которые в 10 раз легче полученных в других местах.
Ливерморская лаборатория начала заниматься аэрогелями в середине 80-х голов, когда по программе экспериментов по термоядерному синтезу с использованием лазеров ученые Лаборатории искали новые способы удержания газообразного водорода.

— Мы задались целью получить материал, который представлял бы собой нечто пенистое, но прозрачное, — вспоминает Джон Поко.

Аэрогели, состоящие из мельчайших каналов и воздушных пор, привлекли к себе внимание. Национальное Управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) в 1988 году заключило с группой ученых контракт на изготовление для космического шаттла блоков аэрогелей, служащих для улавливания микрометеоритов и космической пыли.
Частицы из космического пространства, попадая в гели, постепенно тормозятся и застревают в блоке. Аэрогели возвращают на Землю, где ученые определяют степень повреждения гелей, вычисляя скорость и вес микрометеоритов. Поскольку аэрогели — химически чистый материал, состоящий целиком из двуокиси кремния, они не загрязняют улавливаемого вещества.
Но наибольшую пользу принесет, видимо, применение аэрогелей на Земле, где возможности для этого практически безграничны. Аэрогели проводят тепло в 12 раз медленнее, чем стекло, и поскольку аэрогели к тому же прозрачны, их можно будет помещать в качестве изоляторов между стеклами в окнах с двойной рамой. Они могут заменить и хлорированные и фторированные углеводороды для изоляции холодильников.

Другая возможность — это использование аэрогелсй в солнечных батареях пассивного типа. Если стены дома в северной Европе покрасить в черный цвет и покрыть аэрогельными пластинами, такой дом может превратиться в солнечный коллектор и накопить достаточно тепла, чтобы сократить наполовину расходы на отопление.

Ученые говорят, что аэрогели, подобно небу, приобретают голубоватый оттенок от рассеяния в них света. Предполагается, что двуокись кремния в составе аэрогелей принимает форму закрученных длинных волокон, напоминающих ряд спутанных нитей бус, пространство между которыми заполнено воздухом. Этого никто в точности не знает, поскольку волокна настолько малы, что их невозможно разглядеть в оптический микроскоп, а под электронным микроскопом волокна мгновенно разрушаются электрическими зарядами.

Исходным материалом для изготовления аэрогелей служит химическое вещество тетраметилортокремний, атомная структура которого имеет вид атома кремния, расположенного в центре пирамиды, состоящей из углерода и водорода. К этому веществу добавляют воду и перемешивают.
Содержащийся в воле кислород вытесняет группы атомов углерода и водорода, оставляя длинные цепи молекулярных структур двуокиси кремния, или стекла, погруженные в метанол.

— Тонкость процесса получения аэрогелей заключается в том, чтобы удалить жидкость, не разрушая созданной структуры, — говорит Поко.

Простое выпаривание метанола приводит к разрушению геля: по мере удаления молекул метанола поверхностное натяжение оставшихся молекул сжимает гель в плотный сгусток.
Чтобы избавиться от метанола, объясняет Джон Поко, нужно емкость с метанолом поместить в особую печь — автоклав, где давление поднимают до 84 кг/см: и затем медленно повышают температуру до критической точки метанола — 240° С. Высокое давление предотвращает кипение метанола.

С повышением температуры метанола его поверхностное натяжение медленно уменьшается и при достижении критической точки полностью исчезает. Затем в автоклаве понижается давление до атмосферного, и метанол, удерживаемый в геле, медленно из него улетучивается. Поскольку поверностное натяжение отсутствует, гель не подвергается сжиманию. В результате этого процесса образуются аэрогели.

Изменяя пропорцию исходных материалов и управляя давлением и температурой внутри автоклава, ученые изготовляют аэрогели, плотность которых может достигать любой величины: от 3 до 200 мг на куб. см.
Интерес к аэрогелям быстро растет во всем мире.  В недавней статье в журнале «Сайенс уотч» говорится, что на долю французских научно-исследовательских институтов приходится больше половины публикаций на эту тему.

Шведская компания «Эйргласс оф Стаффансторп» поставляет аэрогели Европейской лаборатории физики элементарных частиц, находящейся в Швейцарии. Арлон Хант, научный сотрудник Лаборатории им. Лоренса в Беркли, основал в Ричмонде, штат Калифорния, компанию «Термалукс», которая поставляет эти новые материалы на американский рынок.
— На коммерческом рынке можно приобрести аэрогели плотностью от 80 до 270 мг/см3, — говорит Том Тиллотсон, ученый из Ливерморской лаборатории. —Когда НАСА обратилась к нам с заказом изготовить аэрогели плотностью 50 мг/см3, мы думали, что это совершенно невыполнимая задача. Но теперь мы сравнительно легко можем делать аэрогели плотностью 3 мг/см3 , ну а 8 мг/см3 для нас сущий пустяк.

После всех этих статей об аэрогелях в лабораторию поступает много запросов об их использовании в других областях, кроме теплоизоляции окон и улавливания космической пыли.
Биолог, изучающий поведение ос внутри гнезд, спрашивает, удастся ли ему использовать аэрогели вместо глины, чтобы иметь возможность наблюдать за насекомыми. К Тиллотсону также обращаются за справкой: поскольку аэрогели нетоксичны и жаростойки, нельзя ли изготовлять из них прокладки для автомобилей? А один изготовитель витаминов хочет использовать аэрогели в витринах: пилюльки витаминов будут выглядеть как бы парящими в воздухе.
Очевидно что аэрогели ждет большое будущее.

Симеон Л. Гарфинкел

1,387 просмотров всего, 1 просмотров сегодня