Как создать аэрогель: новосибирские эксперименты

Аэрогели — это особые структуры, в которых жидкая фаза полностью замещена газообразной. Они обладают целым рядом уникальных свойств: твёрдостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и так далее.

Как же производят аэрогель? Его синтез состоит из нескольких стадий. Сначала необходимо смешать раствор, содержащий соединения кремния, с катализатором и водой. После протекания химической реакции в нем появляются очень маленькие, размером в несколько нанометров, нерастворимые частицы кремнезема. Когда их становится много, они начинают слипаться в длинные цепочки, которые затем переплетаются, и масса становится неподвижной. Далее получившееся вещество затвердевает: образуется гель, по виду напоминающий студень. Из-за того, что структура твердой фазы этой субстанции очень нежная, ее приходится сушить в особых, сверхкритических условиях. Искусство состоит в том, чтобы блоки материала получились целыми и прозрачными. При всех полезных свойствах они довольно хрупкие — их легко сломать руками.

Научные исследования по разработке технологии синтеза аэрогеля в СССР начались в новосибирском Академгородке тридцать лет назад. Работы инициировал сотрудник Института ядерной физики СО АН СССР доктор физико-математических наук Алексей Павлович Онучин, известный ученый, специалист в области экспериментов на встречных пучках. Для этих опытов физики традиционно используют черенковские счетчики, которые детектируют излучение Вавилова-Черенкова. Его вспышку вызывает заряженная частица, движущаяся в определенной среде, и лучше всего для регистрации фотонов по своим свойствам подходит именно аэрогель.

Ученые ИЯФ обратились к своим коллегам из Института катализа СО АН СССР, где с подачи доктора химических наук Юрия Ермакова началось производство инновационного материала. Сейчас можно с уверенностью сказать, что те исследования на годы опередили современный тренд на работы в этой области нанотехнологий, а западные коллеги сумели повторить достижения новосибирских специалистов только в конце 1990-х.

Изначально аэрогель применяли в детекторе элементарных частиц КЕДР, который работает на установке ВЭПП-4М Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Ученым Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН пришлось изготовить 2000 литров этого материала.

Специалисты утверждают, что новосибирский аэрогель по ряду параметров является лучшим в мире и превосходит зарубежные аналоги — например, японского производства. Сейчас ИК СО РАН и ИЯФ СО РАН активно сотрудничают с Национальной лабораторией Томаса Джефферсона (США) — блоки материала изготавливаются для американских специалистов, изучающих свойства адронов. Ранее новосибирский продукт использовался для экспериментов, которые проводит ЦЕРН, а сейчас применяется в универсальном детекторе AMS02 на Международной космической станции — прибор регистрирует потоки протонов, антипротонов и ядер.

— Аэрогель уже применялся в космических экспериментах для ловли микрометеоритов и космической пыли — эти опыты проводились на станции «Мир» и американских «Шаттлах», — отмечает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Анатольевич Кравченко. — В рамках проекта Stardust специальный аппарат захватывал вещество, находящееся в хвосте кометы Вильда-2, в блоки аэрогеля, поскольку именно этот материал способен затормозить летящие на чрезвычайно высокой скорости частицы без их перегрева и без разрушения даже органических молекул.

В дальнейшем аэрогель предполагается использовать для регистрации элементарных частиц в будущем коллайдере ИЯФ СО РАН — Супер Чарм-Тау фабрике. Впрочем, фундаментальная наука — не единственная сфера приложения этого материала. Среди твердых веществ он является лучшим по теплоизолирующим свойствам — в частности, его эффективность на 50 процентов выше, чем у пенопласта.

— Если внутрь теплоизолирующей панели, где между стенок находится вакуум, добавить аэрогель, то ее свойства значительно улучшатся, — отмечает старший научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН кандидат химических наук Александр Федорович Данилюк.

Еще одно интересное свойство материала — способность пропускать видимый свет, задерживать инфракрасное излучение и аккумулировать тепло. Прозрачные панели из аэрогеля можно помещать внутрь стеклопакета: это позволит даже в Сибири строить дома с окнами во всю стену и не бояться, что внутри будет холодно.

Как отмечают ученые, пока это очень дорогой метод, но технологически к его применению в строительстве нет никаких препятствий, и внедрение можно ожидать уже в ближайшие десятилетия. Сейчас на западе началось промышленное применение аэрогелевой крошки, которую используют для теплоизоляции в стеклопакетах.

По словам Евгения Анатольевича Кравченко, аэрогель достаточно эффективен и как звукоизолятор — это можно применять при строительстве пассажирских самолетов, чтобы максимально снизить шум от двигателей в салоне.

Павел Красин