Как работает аэрогель?
.
Открытый меньше столетия назад, этот класс материалов позволил человечеству совершить прорыв в области физики и астрономии, создании сложного научного оборудования и суперсовременных средств для борьбы с экологическими катастрофами. При этом для широкого круга обывателей этот «герой» остаётся неизвестным, что уже само по себе несправедливо. Не пора ли познакомиться поближе с уникальным творением учёных, способным выдерживать колоссальные нагрузки и при этом запросто «парящим» на кончиках цветочных лепестков?
Немного истории
Аэрогели (от лат. «aer» - воздух, и «gelatus» - замороженный) - это гелеобразные вещества, в которых жидкость полностью замещена её газообразным аналогом. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью: в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха. Они также демонстрируют ряд уникальных свойств: высокая твёрдость и упругость, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность, гигроскопичность и т. д.
По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм и пор размерами до 100 нм. Проще говоря, речь идёт о чрезвычайно лёгкой, но твёрдой пене (что-то вроде поролона). Правда, фрагмент подобного вещества, лежащий на вашей ладони, вы сможете обнаружить скорее с помощью зрения, чем благодаря осязанию - это всё равно, что прикосновение крыла бабочки. Впрочем, эта структура только кажется хрупкой, а на самом деле после сжатия структура отлично восстанавливает свою первоначальную форму. Опираясь на цифры, можно утверждать, что образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса.
Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне (Калифорния). В 1931 году учёный опубликовал результаты своих исследований в журнале «Nature», и более 80 лет новинка оставалась самым лёгким материалом в мире. Аэрогель был также известен как «замороженный дым», поскольку по внешнему виду это вещество полупрозрачно и имеет значительно более меньшую степень преломления света, чем стекло. И только в начале 1990-х были созданы ещё более «невесомые» виды аэрогеля, которым сразу же нашлось достойное применение.
Как используют аэрогели?
Сегодня наибольшее распространение получили аэрогели на основе аморфного диоксида кремния (силикона), кварца, углерода, глинозёмов, а также оксидов железа, хрома и олова. К примеру, кварцевые аэрогели известны как превосходные теплоизоляторы (их температура плавления составляет 1200 °C). В настоящее время на их основе изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.
Углеродные аэрогели электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторах. За счёт очень большой площади внутренней поверхности (до 800 м²/грамм) углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов (ионисторов). Применяются эти устройства для основного и резервного питания в фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и автоматических коммунальных счётчиках - везде, где требуется быстро зарядить устройство. Они так же являются источником питания для «альтернативного» транспорта - экологически чистых автомобилей и автобусов.
Графеновый аэрогель был создан группой учёных из университета Чжэцзяна (Zhejiang University). Его плотность ниже чем плотность газообразного гелия и немного выше плотности газообразного водорода. Каждый грамм такого вещества может забрать на себя 900 граммов органического соединения, при этом он будет поглощать загрязняющие окружающую среду продукты с хорошей скоростью − до 68,8 граммов органики в секунду. По мнению учёных, это позволит использовать аэрогель для очистки океанов от нефтяных пятен, а также повсеместно использовать его в качестве газовых и жидкостных фильтров.
Глинозёмные аэрогели из оксида алюминия с добавками других металлов (гадолиний, тербий и до.) используются в качестве катализаторов. Именно так в НАСА был разработан детектор высокоскоростных соударений: в месте столкновения частицы с поверхностью происходит флюоресценция, интенсивность которой зависит от скорости соударения. Такие детекторы нужны для экспериментов практически на любых коллайдерах, в которых частицы сталкиваются и порождают огромное количество других частиц (тех самых, которые образовались в результате Большого взрыва). А вот аэрогель на основе оксида железа с алюминиевыми наночастицами может служить в качестве взрывчатки (разработка Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, США).
Освоение космоса
Помимо многочисленных технических применений, аэрогель знаменит прежде всего использованием в проекте «Стардаст» («Звёздная пыль») в качестве материала для ловушек космической пыли. Речь идёь об одноимённом космическом аппарате NASA, предназначенном для исследования кометы «Вильда 2». В 1974 году это небесное тело прошло вблизи Юпитера, чьё мощное гравитационное поле изменило орбиту кометы - и перенесло её во внутреннюю часть Солнечной системы. Учёным трудно было проигнорировать «гостью»: период обращения кометы вокруг солнца сократился с 40 лет до 6 лет!
Реализация проекта по исследованию кометы была начата в 1995 году в рамках программы NASA «Discovery». 132 ячейки возвращаемой капсулы аппарата «Стардаст» были заполнены силиконовым аэрогелем, который должен был затормозить летящие на чрезвычайно высокой скорости частицы кометного вещества без их перегрева, позволяя предотвратить разрушение даже органических молекул, если они окажутся на этих частицах. Станция была запущена в открытый космос7 февраля 1999 года, а 15 января 2006 года капсула с образцами кометной пыли с успехом вернулась на Землю.
«Стардаст» сумел захватить порядка 30 крупных и мелких частиц кометного вещества, среди которых были обнаружены такие химические элементы как магний, алюминий, хром, никель, марганец, медь, галлий. Неожиданным открытием стал изотоп железа 60Fe - достаточно «молодое» вещество, обладающее довольно малым периодом полураспада, что меняет многие представления о формировании Солнечной системы. В составе образцов пыли кометы учёные так же нашли аминокислоту глицин (так называемый «космический сахар») и большое количество изотопа углерода 13С, которого мало на Земле.
Источник
Открытый меньше столетия назад, этот класс материалов позволил человечеству совершить прорыв в области физики и астрономии, создании сложного научного оборудования и суперсовременных средств для борьбы с экологическими катастрофами. При этом для широкого круга обывателей этот «герой» остаётся неизвестным, что уже само по себе несправедливо. Не пора ли познакомиться поближе с уникальным творением учёных, способным выдерживать колоссальные нагрузки и при этом запросто «парящим» на кончиках цветочных лепестков?
Немного истории
Аэрогели (от лат. «aer» - воздух, и «gelatus» - замороженный) - это гелеобразные вещества, в которых жидкость полностью замещена её газообразным аналогом. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью: в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха. Они также демонстрируют ряд уникальных свойств: высокая твёрдость и упругость, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность, гигроскопичность и т. д.
По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм и пор размерами до 100 нм. Проще говоря, речь идёт о чрезвычайно лёгкой, но твёрдой пене (что-то вроде поролона). Правда, фрагмент подобного вещества, лежащий на вашей ладони, вы сможете обнаружить скорее с помощью зрения, чем благодаря осязанию - это всё равно, что прикосновение крыла бабочки. Впрочем, эта структура только кажется хрупкой, а на самом деле после сжатия структура отлично восстанавливает свою первоначальную форму. Опираясь на цифры, можно утверждать, что образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса.
Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне (Калифорния). В 1931 году учёный опубликовал результаты своих исследований в журнале «Nature», и более 80 лет новинка оставалась самым лёгким материалом в мире. Аэрогель был также известен как «замороженный дым», поскольку по внешнему виду это вещество полупрозрачно и имеет значительно более меньшую степень преломления света, чем стекло. И только в начале 1990-х были созданы ещё более «невесомые» виды аэрогеля, которым сразу же нашлось достойное применение.
Как используют аэрогели?
Сегодня наибольшее распространение получили аэрогели на основе аморфного диоксида кремния (силикона), кварца, углерода, глинозёмов, а также оксидов железа, хрома и олова. К примеру, кварцевые аэрогели известны как превосходные теплоизоляторы (их температура плавления составляет 1200 °C). В настоящее время на их основе изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.
Углеродные аэрогели электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторах. За счёт очень большой площади внутренней поверхности (до 800 м²/грамм) углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов (ионисторов). Применяются эти устройства для основного и резервного питания в фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и автоматических коммунальных счётчиках - везде, где требуется быстро зарядить устройство. Они так же являются источником питания для «альтернативного» транспорта - экологически чистых автомобилей и автобусов.
Графеновый аэрогель был создан группой учёных из университета Чжэцзяна (Zhejiang University). Его плотность ниже чем плотность газообразного гелия и немного выше плотности газообразного водорода. Каждый грамм такого вещества может забрать на себя 900 граммов органического соединения, при этом он будет поглощать загрязняющие окружающую среду продукты с хорошей скоростью − до 68,8 граммов органики в секунду. По мнению учёных, это позволит использовать аэрогель для очистки океанов от нефтяных пятен, а также повсеместно использовать его в качестве газовых и жидкостных фильтров.
Глинозёмные аэрогели из оксида алюминия с добавками других металлов (гадолиний, тербий и до.) используются в качестве катализаторов. Именно так в НАСА был разработан детектор высокоскоростных соударений: в месте столкновения частицы с поверхностью происходит флюоресценция, интенсивность которой зависит от скорости соударения. Такие детекторы нужны для экспериментов практически на любых коллайдерах, в которых частицы сталкиваются и порождают огромное количество других частиц (тех самых, которые образовались в результате Большого взрыва). А вот аэрогель на основе оксида железа с алюминиевыми наночастицами может служить в качестве взрывчатки (разработка Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, США).
Освоение космоса
Помимо многочисленных технических применений, аэрогель знаменит прежде всего использованием в проекте «Стардаст» («Звёздная пыль») в качестве материала для ловушек космической пыли. Речь идёь об одноимённом космическом аппарате NASA, предназначенном для исследования кометы «Вильда 2». В 1974 году это небесное тело прошло вблизи Юпитера, чьё мощное гравитационное поле изменило орбиту кометы - и перенесло её во внутреннюю часть Солнечной системы. Учёным трудно было проигнорировать «гостью»: период обращения кометы вокруг солнца сократился с 40 лет до 6 лет!
Реализация проекта по исследованию кометы была начата в 1995 году в рамках программы NASA «Discovery». 132 ячейки возвращаемой капсулы аппарата «Стардаст» были заполнены силиконовым аэрогелем, который должен был затормозить летящие на чрезвычайно высокой скорости частицы кометного вещества без их перегрева, позволяя предотвратить разрушение даже органических молекул, если они окажутся на этих частицах. Станция была запущена в открытый космос7 февраля 1999 года, а 15 января 2006 года капсула с образцами кометной пыли с успехом вернулась на Землю.
«Стардаст» сумел захватить порядка 30 крупных и мелких частиц кометного вещества, среди которых были обнаружены такие химические элементы как магний, алюминий, хром, никель, марганец, медь, галлий. Неожиданным открытием стал изотоп железа 60Fe - достаточно «молодое» вещество, обладающее довольно малым периодом полураспада, что меняет многие представления о формировании Солнечной системы. В составе образцов пыли кометы учёные так же нашли аминокислоту глицин (так называемый «космический сахар») и большое количество изотопа углерода 13С, которого мало на Земле.
Источник