Аэрогель что это такое

Аэрогель — происхождение, характеристики и области применения

Опубликовал(а): Евгений Афанасьев
Обновлено: 15.07.2019

Новости, поступающие с рынка строительных материалов, не перестают удивлять. Появляющиеся новинки порой во много раз превосходят своих предшественников по базовым эксплуатационным характеристикам. К таковым можно отнести аэрогель, про который недавно еще вообще никто ничего толком не знал, а многие не слышали и по сей день.

Аэрогель — происхождение, характеристики и области применения

В связи с некоторым дефицитом информации, видится разумным дать читателям нашего портала определённые понятия об этом продукте современных нанотехнологий. Постараемся раскрыть его заявляемые возможности в сферах термо- и гидроизоляции строительных конструкций.

Итак, рассматриваем аэрогель — происхождение, характеристики и области применения

Что такое аэрогель?

Происхождение аэрогеля

Аэрогель является необычным материалом, обладающим уникальными свойствами. Если верить публикациям, то благодаря своей уникальности он в книгу рекордов Гиннеса по целым 15-ти номинациям!

Аэрогель — почти невесомая прозрачная субстанция, напоминающая природную дымку. Прочный, легкий и экологически чистый материал является отличным утеплителем строительных конструкций и инженерных коммуникаций.

Его название «aergelatus», состоящее из двух словообразующих корней, можно перевести как «замороженный воздух». Другое расхожее название — «замороженный дым». Действительно, по внешнему виду, а также весу, аэрогель напоминает густую дымку.

История создания этого продукта весьма неоднозначна и оригинальна, так же, как и сам материал. Дело в том, что он был получен в лабораторных условиях уже довольно давно (уже скоро, как 100 лет — в 1931 году), и что интересно – во многом случайно. Это оказался, можно сказать, побочный продукт при кристаллизации в супернасыщенных и суперкритических жидкостях при проведении лабораторных исследований американским ученым Сэмюэлем Кислером. В результате замены воды в обычном геле на метанол и его последующего нагрева до температуры до 240 градусов при высоком давлении, спирт из состава улетучивался, но образовавшаяся пена не становилась меньше в объеме. В итоге получился мелкопористый, легкий и почти прозрачный материал — аэрогель.

Практического применения в те годы этой новой структуре найдено не было, как и доступной технологии для его синтеза в сколь-нибудь серьезных масштабах. Все это пришло позднее, ближе к концу века, когда было налажено производство аэрогеля и его полезное использование, прежде всего — в качестве очень эффективного термоизоляционного материала.

Особенности материала

Уникальность материала состоит в полном отсутствии в его составе какой бы то ни было жидкой фазы, которая в процессе производства вся полностью переходит в газообразное состояние. В результате аэрогель, представляющий собой уникальную молекулярную решетку с порами размером всего около 2 мкм, практически на 99,8% состоит из воздуха, полностью обездвиженного. Благодаря этому фактору аэрогель обладает очень низкой плотностью, по параметрам превосходящей только плотность воздуха и всего в полтора раза. В то же время материал имеет высокую прочность, которая позволяет ему выдержать нагрузку, превышающую его собственный вес в 2000 раз. Например, блок аэрогеля, массой всего 2,4 грамма, способен выдержать весовую нагрузку кирпича в 2,5 кг.

Ну а где обездвиженность газов – там и особые термоизоляционные качества. И что интересно – сопротивление теплопередаче аэрогеля – даже выше, чем у полностью неподвижной воздушной прослойки. Просто по той причине, что поры материала не оставляют никакой свободы движения молекулам, составляющим воздух. То есть здесь неподвижность рассматривается буквально на молекулярном уровне.

Структура аэрогеля под мощным микроскопом – с разным уровнем увеличения.

При изготовлении этого материала в промышленных условиях, гелеобразная субстанция проходит полимеризацию, после чего на выходе получается вещество желеобразной формы. Далее из этого «желе» должна быть полностью удалена вода — процесс суперкритического высыхания производится в специальном автоклаве при воздействии высокого давления и температуры, при участии в этом процессе углекислого сжиженного газа.

Начало промышленного использования аэрогеля – за компанией «Monsanto», которая освоила выпуск термоизоляционных материалов. Впрочем, производство просуществовало не столь долго и было свернуто просто из-за его дороговизны. Но уже в 90-х же годах аэрогели стали вновь применяться, но уже в космической отрасли. Постепенно этот материал «просочился» и в сферу промышленного строительства, где использовался на самых ответвленных участках, например, для термоизоляции технологических трубопроводов и резервуаров.

Технологические трубопроводы с термоизоляцией из полотна с аэрогелем.

В 2007 году в США химиками были разработаны и прошли презентацию аэрогели, в состав которых входит платина. Эти материалы предназначены для создания эффективных сорбционных фильтров, позволяющих производить очистку воды от свинца, ртути и других опасных для человека тяжелых металлов.

Одно из перспективных направлений развития аэрогелевых технологий – создание фильтров для очистки океанов планеты от загрязнений.

Правда, изготовление этого материала в промышленных масштабах — пока еще слишком дорогое из-за необходимости использования драгоценного металла. Поэтому идут лабораторные работы по поиску более доступного по стоимости аналога платине, который предоставит возможность массового производства фильтров. Это, как надеются разработчики, позволит в будущем производить очистку водоемов планеты от различных химических загрязнений.

Дополнит общие сведения об аэрогеле отрывок из научно-популярного фильма познавательного телеканала «Disсоvery»:

Видео: Что же такое аэрогель, и чем объясняются его уникальные свойства?

Разновидности аэрогелей

Не следует полагать, что аэрогель – это действительно гелеобразная субстанция, например, типа краски, которую нужно наносить с помощью кисти. Нет, конечно. Его следует рассматривать, как одно из самых легких из существующих твёрдых веществ. Кроме того, для практического применения аэрогеля его научились совмещать с керамическими, карбоновыми, стекловолоконными и другими основами, что упрощает использование уникальных качеств этого материала.

Сегодня существует несколько разновидностей аэрогелевых материалов, которые широко используются в разных областях и для различных целей:

• Кварцевые аэрогели обладают чрезвычайно низкой плотностью, лишь немногим уступая в этом вопросе абсолютным рекордсменам – аэрографитам и аэрографенам. В среднем их плотность составляет всего 1,9 кг/м³, что меньше плотности воды почти в 500 раз, и всего в полтора раза выше плотности воздуха.

Подобный тип аэрогелевых материалов имеет свойство пропускать солнечный свет, однако, в то же время поглощать тепловое излучение. Благодаря этой характеристике, а также чрезвычайно низкому коэффициенту теплопроводности, составляющего у производимых серийно кварцевых аэрогелей порядка 0,016÷0,018 Вт/(м×К), то есть меньше, чем у воздуха (около 0,024). Они используются в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов в области строительства. Температура плавления этих аэрогелей составляет 1200 градусов. Материал толщиной всего в 25 мм способен надежно защитить руку от открытого огня паяльной лампы.

• Углеродные аэрогели, состоящие из наночастиц, которые ковалентно связаны между собой, отличаются своей электропроводностью. Поэтому их, помимо термоизоляционных функций, часто применяют в качестве электродов в конденсаторах – за счет огромной площади внутренней поверхности можно достигать и огромных показателей электрической емкости. Кроме того, подобные материалы способны отражать всего лишь порядка 0,3% попадающего на них излучения, поэтому их широко применяют в качестве поглотителей солнечного света.
• Кремнезёмные аэрогели чаще всего применяются в качестве катализаторов в ответственных технологических процессах.

Выраженные достоинства материалов на основе аэрогеля

Общие преимущества аэрогелевых материалов можно описать таким образом:

• Экологическая безопасность. Материалы не содержат никаких вредных для окружающей среды веществ, поэтому применяются в любых условиях, в том числе – внутри жилых и общественных помещений любого предназначения, безо всяких исключений.
• Огнестойкость. Полотна и жидкие составы с включением аэрогеля относятся к негорючим материалам – класс НГ. Поэтому отлично подходят для термоизоляции технологических трубопроводов, перекачивающий высокотемпературные вещества или огнеопасные составы, а также различного оборудования, требующего повышенной защиты от воздействия открытого огня и высоких температур.
• Выраженно малая плотность. В связи с тем, что аэрогель состоит на 98% из воздуха, материал, изготовленный на его основе, не утяжеляет утепляемую конструкцию, а значит, не увеличивает нагрузку на несущую основу.

• Гидрофобность. Структурное строение открытых ячеек, способствует быстрому испарению влаги ,если она вдруг попала под слой утеплителя. Таким образом, аэрогелевые полотна способны обеспечить трубопроводам и другим металлическим поверхностям не только утепление, но и эффективную защиту от возникновения коррозии. Кроме того, материалы на основе аэрогеля обладают выраженно влагоотталкивающими способностями, даже в условиях очень высоких температур.
• Крайне низкая теплопроводность. Аэрогелевые композитные утеплители имеют самую низкую теплопроводность из всех известных ныне изоляторов, поэтому являются оптимальным вариантом для любых конструкций из каких бы то ни было материалов.
• Простота монтажных работ. Легкость и небольшая требуемая толщина материала обеспечивает простое закрепление его на любых поверхностей. Полотна и плиты фиксируются с помощью клеев, используемых для монтажа других утеплителей.

Предлагаемые аэрогелевые материалы и их применение

На российский рынок аэрогелевые материалы поставляет несколько производителей, например, китайская компания «Joda», которая занимается производство инновационных композитных утеплительных материалов с 1995 года.

В настоящее время предлагаются следующие продукты на основе аэрогеля:

• панели на основе кремеземного аэрогеля;
• нетканый материал для термоизоляции различных поверхностей – на основе кварцевых аэрогелей;
• огнестойкий теплоизоляционный порошок кремеземного аэрогеля;
• стекло на основе аэрогеля;
• теплоизоляционный нетканый материал на основе углеродного волокна.

Далее будут представлены некоторые из самых востребованных материалов, произведенных на основе аэрогеля.

Аэрогелевый порошок и краска

Порошок может иметь различные по размеру фракции частиц, самым востребованным вариантом является 20 мкм, характеризующийся коэффициентом теплопроводности 0,017-0,022 Вт/(м×К).

Кремеземный аэрогелевый порошок

Порошок аэрогеля используется для изготовления гидро- и термоизоляционных составов с теми или иными связующими. Для получения желаемого эффекта на поверхность следует нанести один тонкий слой подобной изоляции.

Предлагается в товарном ассортименте и уже готовый состав для нанесения на поверхности – водная суспензия с латексным связующим.

Изоляционный аэрогелевый окрасочный состав

Состав применяется для изоляции гипсокартона, бетонных и полиуретановых поверхностей. Покрытие создает достаточно прочный слой, который способен:

• защитить поверхность от огня (класс горючести НГ);
• придать влагоотталкивающие свойства;
• повысить термическое сопротивление конструкции — теплопроводность материала составляет ≤ 0,02 Вт/ (м×К);

Состав, имея хорошую адгезию, легко наносится на поверхность, эксплуатируется длительное время и является экологически чистым материалом.

Технологическая, противопожарная и строительная термоизоляция в полотнах и матах

Аэрогелевые нетканые материалы используются для теплоизоляции различного технологического оборудования, трубопроводов, иных ответственных конструкций. Эффективность такой термоизоляции уникальна, благодаря рекордно низкой теплопроводности, легкости, достаточной прочности и износостойкости, полному отсутствию влагопоглощения.

Для подобных целей используются полотна из композитных материалов, то есть в их состав, кроме аэрогеля, входят волокна разного происхождения.

В состав композитного утеплителя для внешних работ может быть добавлено стекловолокно, применяемые в производстве минеральной ваты. Широко используются керамические или углеродно-карболовые волокна,

Полотна производятся разной толщины, составляющей – от 2 до 12 мм. Такого диапазона считается вполне достаточно, чтобы защитить достичь необходимого эффекта термоизоляции.

Технические характеристики полотен для внешнего утепления выглядят следующим образом:

Наименование материала	«Joda Fiberglass SACB» (0-3; 0-6 или 0-10)	«Joda Carbon SACCT-A»	«Joda Ceramic SACTT»
Иллюстрация
Особенности материала	Аэрогелевое полотно на основе стеклохолста	Аэрогелевое полотно на основе углеродно-карболового волокна	Аэрогелевое полотно на основе керамических волокон для высокотемпературной термоизоляции
Толщина, мм	3, 6 и 10 мм соответственно	2 мм	10 мм
Ширина, мм	1400 мм	1400 мм	1400 мм
Длина полотна в рулоне, м	40, 30 и 25 м соответственно	70 м	25 м
Цвет	белый	черный	белый
Рабочая температура, °C	от – 200 до + 650	от 0 до 1000	от +12 до +1000 ℃
Плотность, (кг/м³)	200±20	180	200
Класс горючести	НГ (негорючий)	НГ (негорючий)	НГ
Гидрофобность,%	>99,8	>99,8	>99,8
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К)	0.016	0.017	0.019
Устойчивость к коррозии	полная	полная	полная
Форма выпуска	полотна (маты)	полотна	полотна (маты)
Стоимость за 1 м²	1600, 3300, 2500 руб. соответственно	3150 руб.	4800 руб.

Вполне можно использовать материалы с аэрогелей и для утепления строительных конструкций в жилых домах. Вопрос лишь в стоимости.

Аэрогелевые полотна, используемые, например, для внутреннего утепления обладают гидрофобностью, составляющей 99%. Поэтому, высокая влажность окружающей среды не снизит теплоизоляционные качества материала. Учитывая еще и то, что утеплитель не содержит органических составляющих, он непривлекателен для грызунов и насекомых, а также не является благоприятной средой ни для каких форм жизни.

Фольгированный аэрогелевый утеплитель

Для внутреннего использования в условиях повышенной влажности хорошо подойдет фольгированный вариант утеплителя на основе аэрогеля.

К преимуществам аэрогелевых материалов для утепления внутри помещения можно отнести следующие качества:

• Прочность полотен.
• Гидрофобность.
• Длительный срок службы.
• Небольшая толщина поможет сохранить площадь внутреннего пространства помещений.
• Материал неплохо справляется и с функцией шумоизоляции.

• Негорючесть, материал относится к классу НГ, отменная огнестойкость – материал может противостоять распространению открытого пламени.
• Экологическая чистота материала. Он не содержит токсичных веществ и не имеет никакого запаха.

• Легкость полотен. На иллюстрации хорошо видно, что мастер, удерживая рулон одной рукой, самостоятельно без каких-либо усилий производит приклеивание материала к стене.
• Материал обладает диэлектрическими способностями, то есть не накапливают статического электричества.

В качестве примера аэрогелевых полотен, используемых в том числе и для утепления жилых помещений, можно привести маты «EVERGEL» польского производства.

Аэрогелевый мат «EVERGEL», который может применяться в том числе и для утепления в жилом строительстве.

Основные технические и эксплуатационные характеристики этого материала показаны в таблице:

Наименование параметров	Показатели
Назначение	Аэрогелевые маты на стекловолоконной основе для термоизоляции технологического оборудования и строительных конструкций
Толщина, мм	3, 5, 8, 10 и 13 мм
Ширина, мм	1500 мм
Длина полотна в рулоне, м	24 или 28 м
Рабочая температура эксплуатации, ℃	От -250 до 675 ℃
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К)	0.018
Группа горючести	Г1 – слабогорючий, самозатухающий
Пористость,%	98
Гидрофобность	Полная, материал не теряет первоначальных качеств на протяжении всего периода эксплуатации
Примерная стоимость 1м²	1700, 2300, 2800, 3050¸3200 руб. соответственно

А какой толщины утепления аэрогелевым матом будет достаточно?

Просто в качестве бонуса предлагаем прикинуть, какой лощины утеплительного слоя на основе аэрогеля будет достаточно для полноценной термоизоляции, допустим, наружной стены дома. и сравнить это значение с толщиной утепления из других популярных материалов.

Подсчитать будет несложно, так как читателю предлагается воспользоваться онлайн-калькулятором.

Для расчетов необходимо определить нормированное сопротивление теплопередаче для стен, соответствующее своему региону проживания (он, естественно, сильно зависит от климатических условий). Это значение несложно отыскать с использованием предлагаемой карты-схемы. Берется значение «для стен»: чтобы не спутать — оно указано цифрами фиолетового цвета.

Карта-схема с нормированными значениями термического сопротивления по регионам России.

В ходе расчетов будет предложено выбрать или аэрогель, или иной утеплитель. Если выбирается второй путь (например, для сравнения), то откроется дополнительное поле с перечнем наиболее популярных термоизоляционных материалов, используемых в жилищном строительстве.

Для расчетов понадобится указать толщину стены и материал, из которого она возведена. Задача несколько упрощена – в расчет не принимаются дополнительные слои, например, внешней и внутренней отделки. Они обычно не оказывают слишком существенного влияния на теплотехнические характеристики ограждающей конструкции, и в нашем случае, то есть для проведения сравнения, ими можно пренебречь. Хотя обычно в профессиональных расчётах учитываются все мелочи.

Нажатие на кнопку «Рассчитать…» приведет к получению результата, выраженного в миллиметрах (толщина утеплительного слоя). Можно провести сравнение различных термоизоляционных материалов в одних и тех же условиях на одной и той же конструкции – это бывает довольно интересно.

Калькулятор сравнения утепления аэрогелем с иными термоизоляционными материалами

Итак, материалы на основе аэрогеля вполне можно назвать универсальными. Они, кстати, могут иметь различную плотность и толщину, поэтому их применение постоянно ширится. Так, их в настоящее время используют не только в сфере промышленного и жилищного строительства, микроэлектроники, космической отрасли и различных технологических процессах, но и даже в качестве утеплителя для зимней одежды.

Таким образом, аэрогель, изобретенный более восьмидесяти лет назад, стал материалом XXI века. Ему пророчат большие перспективы, так как уникальные характеристики открывают все новые сферы для его применения.

Что такое аэрогель, его характеристики

Сначала выясним, что такое аэрогель. Это самое лёгкое вещество в твердом состоянии, которое до сегодняшнего дня было известно человечеству. Двухкоренное слово состоит из латинских определений: «aer», что переводится, как «воздух» и «gelatus», означающее «твердый». Итак, аэрогель – это самое легкое в мире прозрачное и твердое вещество, которому сопутствуют такие качества, как жаростойкость и крайне низкая теплопроводность, что делает его необычайно ценным материалом во многих областях промышленности.

Происхождение и свойства

В 1931 году в журнале Nature (Калифорния, США) была опубликована статья Стивена Кистлера, рассказавшем о своем изобретении, а также о методе его получения. Сейчас, пройдя ряд усовершенствований, данная субстанция представляет собой похожее на пенопласт вещество, только гораздо прочнее (выдерживает нагрузки в 2000 раз превышающие собственную массу). Если говорить о плотности, то она составляет 1 кг/м2, что в 1,2 раза меньше плотности нашего воздуха, правда, без учета его массы. Так, что же такое аэрогель и для чего он нужен?

В первую очередь, особенно кварцевые аэрогели, это превосходные теплоизоляторы, которые можно использовать в строительстве, авиации, космонавтике, машиностроении и, конечно же, в лёгкой промышленности для пошива одежды. Кроме этого, аэрогели гигроскопичны, следовательно, их можно использовать для любых материалов, боящихся сырости – они попросту будут оттягивать влагу на себя. Для стремительно развивающегося технического прогресса на сегодняшний день наибольшую ценность представляют именно кварцевые аэрогели, хотя это еще далеко не «завершение карьеры» для такого материала.

Следует отметить, что плотность 1 кг/м2, это уже не предел возможностей, так как у металлических решеток такой показатель еще превосходней. Так, плотность графенового аэрогеля составляет 0,16 кг/м3 (немного больше у аэрографита – 0,18 кг/м3). Кстати, из углеродных (графитных) гелей уже сейчас научились изготавливать конденсаторы, которые лучше всего аккумулируют солнечную энергию. В диапазоне от 250 до 14300 нанометров такое вещество отражает всего 0,3% света, и емкость такого конденсатора составляет 77 ф/м3 или 104 ф/грамм вещества.

Продукция из аэрогеля для широкого потребителя

Можно часами говорить о том, что кварцевые сверхлегкие аэрогели необычайно эффективны, что в них нуждаются те или иные отрасли, но все это так и останется только словами. Для многих людей любое предложение станет чем-то реальным лишь в том случае, если они его смогут где-то увидеть, а ещё лучше, ощупать своими руками, потереть ладошкой или даже понюхать – такова уж наша природа. Поэтому лучше, немного поговорить о том, что уже сейчас может купить любой гражданин (или не гражданин) России в магазине.

Видео описание

Аэрогель — из чего это сделано.

На основе стеклохолста

Любой строитель может подтвердить, что неподвижный воздух всегда являлся самой лучшей теплоизоляцией для стен и фундаментов зданий. Отсюда и пустотелый кирпич, полые перекрытия, колодцевая кладка или двойные стены в бетонных многоэтажных домах. Но время порой делает приятные сюрпризы – так случилось и на этот раз.

Аэрогель на основе стекловолокна сейчас имеет более низкую теплопроводность, нежели воздух и сохраняет свою эффективность при температуре от -200°C до 650°C, то есть, в естественных условиях такая изоляция попросту не имеет равных. Материал относится к классу НГ (не горючий) и имеет высокую устойчивость к открытому пламени. Такие полотна, где используется кварцевый порошкообразный аэрогель, имеют толщину не более 2-6 мм.

Где его применяют:

• изоляция бытовых и промышленных холодильников, морозильных камер;
• защита теплотрасс с надземным и подземным монтажом;
• в промышленности используют для защиты холодного и горячего водоснабжения (ХВС/ГВС);
• изоляция трубопроводов любого типа;
• защита от образования конденсата на строительных, технических и научно-исследовательских объектах;
• криогенная техника и оборудование;
• изоляция вентиляционных каналов, шахт и кессонов;
• утепление специализированной/обычной одежды и обуви;
• для защиты стен, фундаментов, кровель, лоджий, балконов, бань и саун;
• для электрических бойлеров и других емкостей.

Рекомендация: для парных бань и саун больше всего подходит фольгированный аэрогель, так как он одновременно служит тепло- и гидроизоляцией. Кроме того, алюминиевая фольга способна отражать инфракрасное (тепловое) излучение, что значительно облегчает устройство подобных мест гигиены и отдыха.

Aerotherm для одежды и обуви

Американская компания Aspen Aerogels на сегодняшний день предлагает для легкой промышленности свою продукцию Aerotherm толщиной от 2 до 3 мм. При этом производители могут поставлять свой товар, заблаговременно раскроив его по лекалам заказчика либо в виде холста или универсальной подкладки/подложки, из которого покупатель сам делает элементы для одежды и обуви.

В данном случае используется кремниевый аэрогель, который более чем на 90% состоит из воздуха. Для сравнения: пенополистирол или Пенопласт ПСБ-С состоит из газа только на 60%, и большинство людей считают его одним из лучших утеплителей во всех сферах. Материал является необычайно прочным, гибким и эффективным для экстремальных ситуаций. Именно по этой причине из него шьют лучшие защитные костюмы и обувь не только для полярников, но и для пожарников. Очень большим спросом Aerotherm пользуется у всех, кто занимается зимними видами спорта и, конечно же, в военной промышленности.

Из какого бы материала не шилась обувь, её теплота, в основном, всегда будет зависеть от низкой теплопроводности подошвы, ведь холодные потоки проникают именно снизу, при соприкосновении ступни с землей. Примечательно, что толщина такой стельки всего 2 мм, а это означает, что её можно вставить в любую зимнюю обувь и это будет гораздо эффективнее нескольких пар шерстяных носков! Примечательно, что такая прокладка защитит стопу не только от холода, но и от жара, если случайно наступить на какой-либо раскалённый предмет.

Теплая куртка-парка Xiaomi

Аэрогелевая куртка Xiaomi DMN, которую вы видите на верхней фотографии, получила 66 (!) патентов на оригинальные решения, которые применялись в создании этой зимней одежды. Но покупателя, прежде всего, интересуют её эксплуатационные качества.

Если сравнивать Xiaomi с другой одеждой, то по теплозащите с ней может сравниться пуховик толщиной 40 мм, а у этой куртки всего 3 мм (!) толщины – вы только вдумайтесь, какой прорыв принесли аэрогели! А ведь указанные выше 3 мм, это не толщина теплоизоляции – это суммарная толщина трёх слоёв: сверху водонепроницаемая защита от атмосферных осадков, посредине аэрогелевый утеплитель и снизу ткань, содержащая ионы серебра. Для жителей Крайнего Севера, да и любых холодных регионов такая одежда просто панацея от самых лютых морозов!

Видео описание

Аэрогель — самый легкий твердый материал.

На сегодняшний день у такой куртки-парки только одна проблема – самый большой размер, 51-й по российским стандартам. То есть, по средним размерам она подойдет для роста 170-175 см, а для больших – под рост 175-180 см.

Заключение

Исходя из того, какие возможности для различных материалов уже сегодня открывает кварцевый аэрогель, можно сказать, что у него огромный потенциал и большое будущее. Вы только представьте, что костюмы, в которых можно выходить в открытый космос, станут доступными в повседневной жизни, уютные и теплые дома, добротность которых измеряется не толщиной стен, а эффективностью тоненькой изоляции. И таких перспектив откроется ещё больше!

Пять стихий: воздух

Бывают ли материалы, на 90 процентов состоящие из воздуха? И при этом твердые, тепло- и звукоизолирующие, проводящие электричество и вообще способные найти себе применение сразу в нескольких отраслях промышленности? Читайте в очередной статье из нашего цикла «Пять стихий», который N+1 делает совместно с НИТУ «МИСиС», об аэрогелях — наноматериале, заполненном воздухом.

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:

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.

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.

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.

Как высушить гель

Каким образом можно удалить жидкость из хрупких пор геля, не разрушив его структуру? Решение было найдено еще в 1931 году американским ученым Самуэлем Кистлером (Samuel Stephens Kistler). По некоторым сведениям, он поспорил со своим коллегой, что первым сможет провести эту деликатную операцию, и выиграл спор. Идея Кистлера состояла в том, чтобы избавиться от поверхности жидкости и связанных с ней сил натяжения, раз уж именно поверхность и является причиной всех бед. Представим себе, что мы имеем запаянную стеклянную колбу, которая наполовину заполнена жидкостью. Через прозрачные стенки мы будем видеть границу жидкости и газа над ней. Теперь начнем нагревать колбу. Жидкость внутри будет испаряться, что приведет к повышению количества и давления пара над ее поверхностью. А также, естественно, и температуры этого пара. Если продолжать нагревание достаточно долго, то в определенный момент давление и температура внутри колбы достигнут такого уровня, что плотность пара сравняется с плотностью жидкости и граница между ними просто исчезнет. А сам пар и жидкость потеряют знакомые нам характеристики (например, жидкость станет сжимаемой) и превратятся в одно неразделимое целое. Вместе с поверхностью раздела фаз исчезнут и силы поверхностного натяжения. Такие температура и давление, при которых пар перестает отличаться от жидкости, а жидкость от пара, в термодинамике называются критическими и изображаются в качестве критической точки на фазовой диаграмме:

Для воды критическая температура и давление составляют 374 градуса Цельсия и 218 атмосфер соответственно. То есть, если мы повысим давление в камере с гелем на водной основе до 218 атмосфер и выше и затем поднимем температуру выше 374 градусов Цельсия, то какое-либо различие между паром и водой исчезнет — мы получим так называемую

. Внутри каждой поры геля окажется очень плотный пар или вода, что при таких условиях по сути одно и то же. Если теперь начать понижать давление до критического и ниже, сохраняя температуру выше критической, то этот плотный пар начнет постепенно выходить из геля без какой-либо конденсации. Затем можно начать понижать и температуру до тех пор, пока остатки пара не покинут гель и он не превратится в нужный нам сухой аэрогель, заполненный воздухом. Описанный процесс называется

и показан красной стрелкой.

Так как, по этому сценарию, в процессе превращения жидкости в пар не возникает границы раздела жидкой и газообразной сред, то не возникает и сил поверхностного натяжения внутри пор и они остаются целыми в процессе сушки. Зеленая стрелка обозначает сценарий сушки, когда жидкость превращается в пар обычным порядком. В этом случае мы имеем одновременное существование двух фазовых состояний, границу раздела и, соответственно, разрушение структуры геля. Синяя стрелка показывает, что возможен и третий путь, который называется сублимационной сушкой. По этому сценарию жидкость внутри пор сначала переводится в твердое состояние путем заморозки, а затем, при пониженном давлении, твердая фаза превращается в газообразную, минуя жидкую (и связанные с ней проблемы с поверхностным натяжением). На практике такой вариант действительно позволяет получать некоторые виды аэрогелей.

В реальной жизни прямое использование гелей на водной основе для изготовления аэрогелей очень неудобно из-за высоких критических температуры и давления воды. Поэтому до начала сушки обычно производится замещение первоначальной жидкой составляющей геля на более подходящую в смысле критической точки. Таким заместителем может выступать, например, метиловый спирт (критическая температура — 250 градусов Цельсия, критическое давление — 77 атмосфер). Именно спирты использовал Кистлер для получения аэрогелей со стенками из неорганических соединений. Для органики он рекомендовал сжиженный пропан в качестве жидкой составляющей геля при суперкритической сушке. Также находят применение ацетон и сжиженный углекислый газ. Вообще «рецептов» приготовления аэрогелей существует на настоящий день довольно много. В Интернете даже можно найти рекомендации по его изготовлению в домашних условиях.

В России исследованием аэрогелей занимаются сразу несколько научных центров, в том числе и Центр композитных материалов при НИТУ «МИСиС». Научный сотрудник Центра, кандидат физико-математических наук Федор Сенатов дал следующий комментарий относительно технологических возможностей применения сверхкритического состояния вещества: «Интересной и полезной особенностью вещества в сверхкритическом состоянии (флюид) является то, что с помощью него можно не только формировать пористость в геле, но и модифицировать сам материал, а также удалять из него ненужные примеси. Например, можно растворить в сверхкритическом флюиде лекарственное вещество и обработать этим флюидом полимерный гель. Когда флюид проникнет в гель, то принесет с собой и лекарство, которое останется в полимере после снижения давления и ухода флюида. Таким образом, получится аэроэгель, который можно использовать в медицине для ультрафильтрации биологических жидкостей с одновременным лекарственным действием.
Тем же способом можно удалять ненужные примеси из материала. Данный метод, получивший в литературе название сверхкритическая флюидная экстракция (СФЭ), достаточно давно используется как в лабораторных исследованиях, так и в промышленном производстве. Самым распространенным примером экстракции сверхкритическими флюидами является применение скСО₂ для декофеинизации кофе. Более чем сто тысяч тонн декофеинизированного кофе производится в мире ежегодно с применением скСО₂».

Из чего делают аэрогели

Что касается твердой составляющей аэрогелей, то используемые материалы можно разделить на несколько классов:

Диоксид кремния (силикагель). Это наиболее известный материал, который знаком нам в виде гранул внутри бумажных пакетиков-осушителей и в кошачьих туалетах. Полученный из него аэрогель почти прозрачен, имеет голубоватый оттенок за счет релеевского рассеяния света на нанопорах, обладает чрезвычайно низкой теплопроводностью, хрупкий, но твердый.

(углерод). Карбоновый аэрогель непрозрачен, характеризуется чрезвычайно высокой пористостью с показателем площади полной поверхности к весу 400–1000 квадратных метров на грамм. Проводит электричество, что делает его одним из наиболее популярных материалов для ионисторов с емкостью в тысячи фарад. Кроме того, такой аэрогель поглощает почти 100 процентов излучения в инфракрасном диапазоне, а это очень ценное качество для солнечной энергетики.

Оксиды металлов. Соответствующие аэрогели широко используются для изготовления катализаторов. Обычно в их состав входит оксид алюминия с добавкой никеля. NASA использует алюминиевый аэрогель с добавкой гадолиния и тербия для регистрации космических частиц сверхвысоких энергий. Дело в том, что эти аэрогели флуоресцируют при попадании в них таких частиц, что позволяет их регистрировать. Причем мощность излучения зависит от энергии частицы. Окраска аэрогелей на основе оксида металла варьирует в широких пределах.

Органические полимеры. Например, аэрогель из агар-агара, того самого, который добавляют во фруктовое желе. Другой органический материал — целлюлоза — используется для производства гибких аэрогелей.

Халькогены. К этой группе относятся: сера, селен, теллур и т.д.

Селенид кадмия . Аэрогель, изготовленный из этого материала, обладает полупроводниковыми свойствами.

Более того, свойства аэрогелей можно дополнительно изменять с помощью введения различных модифицирующих добавок в состав твердой фазы.

В настоящее время выделяют основные сегменты промышленности, в которых аэрогели нашли свое применение:

Aerogel: World’s Lightest Solid

Having a variety of descriptive nicknames such as; frozen smoke, solid smoke, solid air, solid cloud, and blue smoke, aerogel is a relatively new and absolutely unique substance that has arrived in our lives, so welcome!

As the most simple explanation goes; aerogel is a substance that is derived from the liquid component for the gel which in fact has been replaced with gas without a noteworthy change in the gel composition, which results in a solid with extremely low density and low thermal conductivity.

The historical discovery of aerogel does not go a long way, it was invented in 1931 by ​​Samuel Stephens Kistler, an American scientist and chemical engineer, from a bet. Kistler claimed that he could replace the liquid in “jellies” with gas without causing shrinkage with Charles Learned which resulted in the invention of aerogel.

The Properties & Applications of Aerogel

The best-known and most significant importance of aerogel is its prodigious lightness, as it has the lowest density of any known solid- with a density of nearly 0.1 g/cm3, making it seven times less dense than even air.

The list of its properties continues surprisingly as aerogel is known to be as strong as steel and has a low thermal conductivity which in fact makes it a good insulator. Furthermore, they are hydrophilic, and thus if they absorb wetness, they go through a structural change making them hydrophobic; but this kind of degradation can be prevented through chemical treatments.

The most common use of aerogel is in the space industry, mostly NASA in spacesuits, obviously because of its weight and insulation capacity. The applications go further such as molten metals, waste management, optics and mild guides, digital devices, capacitors, imaging devices, catalysts, pesticides, and cosmic dust collection.

The Disadvantages of Aerogel

Many aerogels are utilized in the construction of houses as insulators. The majority of these insulators are environmentally beneficial, as they are 100% recyclable, do not include any ozone-depleting compounds, and are made up of 30% recycled content. There isn’t much waste in an aerogel because it’s mostly made up of air (90–94 percent). However, other aerogels with added ingredients for the increase in strength purposes can only be disposed of in landfills, which may cause severe environmental issues. Therefore, because of the chemical makeup of the aerogel, others must be disposed of in hazardous waste facilities. The majority of aerogels are non-toxic and environmentally friendly. Aerogels will decompose in the environment into the sand, a common substance.

Overall, with having relatively fewer hazards to the environment, and multiple advantages throughout its usage, aerogel should be our favourite lightest solid so far!