Аэрогель: замороженный дым ловит комету за хвост

В космических экспериментах на борту шаттлов и в аппарате Stardust, слетавшем недавно к комете, в марсианских роверах Mars Pathfinder, Spirit и Opportunity применялся удивительный материал — аэрогель. На 99,8% он состоит из воздуха, а в открытом космосе, соответственно, из вакуума, что не мешает ему быть довольно прочным.

Аэрогель (иначе его ещё называют замороженным или твёрдым дымом) можно сравнить с затвердевшей мыльной пеной.

Настолько мелкоячеистой, что глаз отказывается различать эти ячейки даже под микроскопом (диаметр пор — 20 нанометров). Настолько лёгкой, что её плотность лишь в два с половиной раза больше плотности воздуха.

 

 

И при этом пена довольно прочна. Так что на приличный кусок аэрогеля можно спокойно положить кирпич.

В аппаратах, которые мы упомянули в начале, использовался аэрогель на основе кремния. Но, в принципе, этот гель может состоять и из других веществ.

Как бы его корректнее определить? Это обычный жидкостный гель, из которого удалена жидкая фракция.

Сказать легко, но трудно сделать. При удалении жидкости из геля его твёрдая составляющая, обычно, разрушается. Она теряет прочную структуру, меняет форму, сложные молекулярные сети рассыпаются "в прах".

Цветок не сгорает благодаря практически невесомой защите из аэрогеля (фото с сайта stardust.jpl.nasa.gov).

Заставить микроскопическую "пену" сохраниться при удалении заполняющей её жидкости, очень трудно. Зато если суметь, то получится материал с удивительными свойствами.

Плотность современных аэрогелей от 0,35 до 0,003 граммов на кубический сантиметр (плотность воздуха — 0,0012 граммов на кубический сантиметр).

Подробнее о процессе создания аэрогеля вы можете прочесть здесь.

Скажем кратко, что сначала тут используется ряд химических реакций для образования влажного геля.

"Продукт" созревает, то есть — полимеризуется, порой по 2-3 суток. Получается что-то вроде желатинового желе.

Затем из этого "десерта" с помощью спирта удаляется вода (её полное удаление — залог успеха). Потом в автоклаве при высоком давлении и температуре проводится так называемое "суперкритическое" высыхание с участием жидкого углекислого газа.

Этот кирпич, если присмотреться, покоится на кусочке аэрогеля, по плотности едва отличимого от воздуха (фото с сайта stardust.jpl.nasa.gov).

Прочность аэрогеля на разрыв — 16 килопаскалей — совсем невелика по сравнению с конструкционными материалами, однако, многократно выше, чем, скажем, у мыльной пены, с которой его невольно хочется сравнить.

О "пене" вспомнили, когда задумали эксперимент Stardust.

В январе 2004 года этот космический аппарат NASA прошёл через хвост кометы Wild 2.

Огромная ловушка из аэрогеля оказалась единственным способом, позволившим поймать и мягко остановить частицы кометной пыли, пролетающие мимо аппарата со скоростью 6 километров в секунду.

С любым другим веществом они или испарились бы, или разрушились настолько, что их нельзя было бы изучить.

	Эксперимент в рамках программы Stardust. Мелкие частицы были разогнаны специальной пушкой до космических скоростей и направлены в кусок аэрогеля (фото с сайта stardust.jpl.nasa.gov).

Аппарат должен вернуться к Земле в 2006 году и сбросить на парашюте блок с образцами кометной пыли.

Кстати, материал, созданный в JPL и использованный в этой ловушке, попал в книгу Гиннеса, как твёрдое тело с самой низкой плотностью (3 миллиграмма на кубический сантиметр).

А ещё кварцевый аэрогель выдерживает 500 градусов Цельсия и обладает чрезвычайно низкой теплопроводностью. 2,5-сантиметровый лист из силиконового аэрогеля защищает руку человека от огня паяльной лампы.

Потому аэрогель охотно применяют как теплоизоляцию. В американских марсоходах, во всяком случае. Тем более, что первоначально аэрогели были весьма хрупки, но учёные научились изготавливать упругие и гибкие их разновидности.

Что до теплоизоляции домов — это ещё дело будущего. Но что интересно, некоторые исследователи уже изучают возможность использования аэрогеля не только для утепления стен, но и в качестве замены оконному стеклу.

Ведь некоторые образцы геля отличаются высокой прозрачностью (в то время, как другие имеют лёгкую голубоватую или желтоватую дымку, что зависит от преобладающего размера пор).

При этом у аэрогеля очень низкий коэффициент преломления: где-то между 1 и 1,05. Напомним, у оконного стекла этот показатель составляет примерно 1,5.

Разновидностью аэрогеля является так называемое "воздушное стекло" (Airglass) с плотностью 0,05-0,2 грамма на кубический сантиметр. Оно довольно прозрачно, и хотя не слишком прочно, зато по теплозащите многократно превосходит обычное стекло.

Вообще, инженеры и учёные считают, что в ближайшее время аэрогель сможет найти десятки областей применения на Земле. И здесь опять помогает космос. В последние годы на шаттлах проводились опыты по получению аэрогеля в невесомости.

Эти эксперименты нужны, чтобы найти новые методы создания аэрогелей с заданными свойствами.

Аэрогель часто называют твёрдым дымом (фото с сайта p25ext.lanl.gov).

Нужно сказать, когда те или иные материалы про аэрогель появляются в Сети, создаётся впечатление, что один из самых удивительных искусственных материалов создан недавно. Ну, может быть, несколько лет назад. Между тем, история аэрогеля насчитывает более 70 лет.

Первый аэрогель получил американский учёный Сэмюэль Кистлер (Samuel Kistler) где-то в конце 1920-х или 1930-м году. В это время он работал в Тихоокеанском колледже в Стоктоне (Калифорния).

В истории открытия сверхлёгкого материала до сих пор остались белые пятна. Потому официальной датой рождения аэрогеля принято считать 1931 год, когда Кистлер опубликовал статью о свой работе в журнале Nature.

Кстати, само слово аэрогель приписывают Кистлеру, скорее, по традиции. Так и осталось неизвестным, придумал ли он его сам, или воспользовался подсказкой кого-то из коллег.

Любопытно, что Кистлер не собирался создавать новый материал. Он занимался анализом белков, а в его рамках — кристаллизацией аминокислот в суперкритических супернасыщенных жидкостях.

Так что открытие аэрогеля оказалось для учёного побочным продуктом. Однако вскоре, и на много лет вперёд, аэрогель безраздельно завладел его вниманием.

Заметим, первый аэрогель сделали из кварца, но впоследствии люди научились делать аэрогели из оксидов металлов, органических веществ, и многих других исходных ингредиентов.

Ловушка для кометной пыли, заполненная аэрогелем (фото с сайта stardust.jpl.nasa.gov).

Что интересно, калифорнийского учёного привлекала не только чистая наука, но и коммерция. По лицензионному соглашению с Кистлером, кварцевый аэрогель (как супертеплоизолирующий материал) производила серийно известная химическая компания Monsanto. Это производство началось в 1940-х годах.

Увы, тот опыт не получил широкого распространения, а сама компания свернула выпуск аэрогелей где-то в 1970-х.

Новый всплеск интереса к ним пришёлся на последние годы. В различных лабораториях NASA, других исследовательских организациях США (Ливермор, Беркли) начали создавать многочисленные новые образцы аэрогелей (опять-таки, прежде всего, из кремния), которые ещё ярче демонстрировали достоинства этого типа материала XXI века.

Это не оговорка. Так часто называют аэрогели, несмотря на 70-летний возраст.

Может быть, они даже заслуживают титула материалов будущего. Если, конечно, станут более дешёвыми (произведённые в лабораторных установках, они стоят примерно доллар за кубический сантиметр).

Вспомним, когда-то аэрогель не выдержал конкуренции с другими утеплителями именно из-за высокой цены.

Статья получена: Membrana.ru