Из состоит аэрогель. Аэрогель - необычное творение человеческих рук. – обладает достаточно высокой твердостью

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?

(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.

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 (SiO 2), глинозёмов (Al 2 O 3), 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,

– долговечность,

– 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 звукоизоляции,

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

– для огнезащиты,

Инновации на основе аэрогеля:

Учеными предложена концепция терраформирования отдельных регионов планет : Марса, Луны, Венеры и пр. с помощью создания искусственных куполов или экранов из слоя

tvirian
Оригинал на Blogspot.

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.

Аэроге́ли (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.

Общий вид аэрогеля

Аэрогель уникален еще и тем, что на 99.8% состоит из… воздуха!

Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Аэрогель - весьма необычное творение человеческих рук, материал, удостоенный за свои уникальные качества 15 позициями в книге рекордов Гиннеса.

Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 % объёма. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.

На ощупь Аэрогели напоминают легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. Аэрогели, в особенности кварцевые — хорошие теплоизоляторы.

Кварцевые Аэрогели наиболее распространены, им также принадлежит текущий 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 также популярны благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (~0,017 Вт/(м.К) в воздухе при нормальном атмосферном давлении), меньшей, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м.К)).

Применение Аэрогеля

Аэрогели применяются в строительстве и в промышленности в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов для теплоизоляции стальных трубопроводов,различного оборудования с высоко- и низкотемпературными процессами, зданий и других объектов. Он выдерживает температуру до 650°C, а слоя толщиной 2,5 см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от прямого воздействия паяльной лампы.

Температура плавления кварцевого Аэрогеля составляет 1200°C.

Производство Аэрогеля

Процесс производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических реакций гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и на выходе получается желеобразный продукт. Затем спиртом из желе удаляется вода. Полное ее удаление - залог успешности всего процесса. Следующий шаг - "суперкритическое" высыхание. Оно производится в автоклаве при высоком давлении и температуре, в процессе участвует сжиженный углекислый газ.

Первенство в изобретении аэрогеля признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшего в 1931 году в журнале Nature свои результаты.

Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240°C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не ужимаясь.

Аэрогель – весьма необычное творение человеческих рук, материал, удостоенный за свои уникальные качества 15 позициями в книге рекордов Гиннеса.

Название «аэрогель» произошло от двух латинских слов aer - воздух и gelatus - замороженный.
Поэтому аэрогель часто называют «замороженным дымом». Впрочем, по внешнему виду аэрогель действительно напоминает застывший дым. Аэрогель представляет собой необычный гель, в котором отсутствует жидкая фаза, полностью замещенная газообразной, вследствие чего вещество обладает
рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т.д. Аэрогель удивителен еще и тем, что на 99.8% состоит из… воздуха!

История появления аэрогеля до сих пор выяснена не до конца. Известно лишь, что первым его получил американский учёный Сэмюэль Кистлер в конце двадцатых или в тридцатом году прошлого века в Тихоокеанском колледже в Стоктоне (штат Калифорния). Получил, как это порой бывает, в научных
изысканиях, почти случайно, в качестве побочного продукта кристаллизации аминокислот в суперкритических супернасыщенных жидкостях. Ученый добился получения аэрогеля, заменяя жидкость в обычном геле метанолом. После этого гель нагревался под высоким давлением до 240 градусов (критическая температура для метанола). В этот момент газообразный метанол уходил из геля, но обезвоженная пена не уменьшалась в объеме. В итоге образовывался легкий мелкопористый материал, названный в последствие аэрогелем.

По структуре аэрогели представляют собой
древовидную сеть из объединенных в однородные группы (кластеры) частиц
размером 2-5 нанометров и пор, заполненных воздухом, размерами до 100
нанометров. Внешне аэрогель больше всего похож на прозрачную или
полупрозрачную застывшую мыльную пену. При взгляде невооруженным глазом,
аэрогель представляется сплошным однородным веществом, что выгодно
отличает его от таких пористых сред как различные пены. На ощупь
аэрогель также напоминает застывшую пену. Это достаточно прочный
материал – аэрогель способен выдержать нагрузку в 2000 раз больше
собственного веса. Например, небольшой блок аэрогеля весом 2.38 г.
легко противостоит массе кирпича в 2.5 кг! Кварцевые аэрогели являются
очень хорошим теплоизолятором.

Процесс
производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических
реакций, гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и
на выходе получается желеобразный продукт. Затем спиртом из желе
удаляется вода. Полное ее удаление – залог успешности всего процесса.
Следующий шаг – “суперкритическое” высыхание. Оно производится в
автоклаве при высоком давлении и температуре, в процессе участвует
сжиженный углекислый газ.

Прикладное использование
кварцевого аэрогеля, как материала для изоляции, началось в сороковых годах двадцатого века. Известная компания Monsanto выпускала этот продукт по лицензионному соглашению с Кистлером. Однако широкого распространения в силу дороговизны аэрогелевые теплоизоляторы не
получили, и в семидесятых годах производство было свернуто. Лишь в самом конце прошлого века аэрогели вновь начали широко использоваться человечеством, прежде всего в космической отрасли.

Именно аэрогель стал важнейшим элементом решетчатого улавливателя, при помощи которого космический зонд Stardust захватил миллионы крошечных частиц из хвоста кометы Wild 2 и доставил спускаемый аппарат с этими образцами на землю. Кстати сказать, среди многообразия уловленных зондом частиц были обнаружены следы глицина – важнейшей для образования белка аминокислоты. Ученым, разделяющим теорию о внеземном происхождении жизни, эта находка стала косвенным доказательством их правоты.

В качестве уникального
теплоизолятора аэрогель планируется использовать в космических
скафандрах американского производства, создаваемых для марсианского
проекта НАСА. Так же НАСА анонсировало применение аэрогеля в качестве
теплового щита новых моделей шаттла.

Перспективны
также аэрогели в микроэлектронике. Главным образом, благодаря тому,
что они обладают самыми низкими диэлектрическими константами.
Использование аэрогелей в качестве изоляционных слоев в многослойных
печатных платах позволит значительно повысить быстродействие
электроники.

В 2007 году американские химики
презентовали созданные ими аэрогели, которые могут служить фильтром для
очистки воды от вредных примесей, таких как ртуть, свинец и другие
ядовитые тяжелые металлы. Пока производство этих материалов достаточно
ограничено из-за высокой цены, т.к. в состав фильтров входит платина, но
когда ей будет найдена замена в виде более дешевого аналога,
очистителями нового образца можно будет избавить от тяжелых металлов
водоемы планеты.

Кроме этого новые аэрогели проявляют свойства полупроводников, следовательно, могут использоваться в фотоэлементах и других оптоэлектронных устройствах.

Кварцевый аэрогель, как уже говорилось, – уникальный теплоизолятор. Он выдерживает температуру до 500 градусов по Цельсию, а слоя толщиной 2,5см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от
прямого воздействия паяльной лампы. Существуют разновидности аэрогелей с температурой плавления до 1200 С. Свойства арогелей в немалой степени зависят от исходного материала, из которого их производят. Существуют аэрогели из глиноземов (с добавкой оксида алюминия), диоксида кремния, а
также оксида олова и хрома. Совсем недавно были получены аэрогели на основе углерода. Есть аэрогели, применяющиеся в качестве катализаторов. В настоящее врмя в НАСА идут испытания алюмооксидных аэрогелей, содержащих редкие элементы – гадолиний и тербий. Эти аэрогели
используются как детекторы высокоскоростных соударений. Некоторые прозрачные разновидности аэрогеля рассматриваются учеными в качестве замены оконному стеклу. Ведь коэффициент преломления у аэрогелей гораздо ниже, чем у стекла (1,05 против 1,5). Изначальную хрупкость этого
перспективного материала науке уже удалось преодолеть, сейчас доступен выпуск упругих и гибких аэрогелей. На повестке дня вопрос о снижении себестоимости производства до пределов, делающих использование в широких масштабах рентабельным. Аэрогели часто называют материалом 21 века. Так
ли это, мы скоро увидим.

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

Процесс изготовления аэрогеля:

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.

Will Walker написал...
Привет, Бен -

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.