Аэрогель

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.

Блок аэрогеля выдерживает вес кирпича, который в 2000 раз больше его собственного веса:

Бабочка сидит на кусочке аэрогеля: