Аэрогель: вещество легче воздуха

Аэрогели огнеупорны, воздухопроницаемы, способны впитывать воду или масло, могут — в зависимости от материала изготовления — служить электрическим проводником или не менее эффективным изоляционным материалом. Тем не менее, несмотря на то что изобрели аэрогель почти сто лет назад, сфера его применения на данный момент ограничена. В первую очередь это связано с очень высокой ценой.

Себестоимость исходных материалов для аэрогеля составляет порядка $1000 за кубический сантиметр, и это не считая серьезных временных затрат. А время, как известно, это самый дорогостоящий ресурс. Так или иначе, на сегодняшний день аэрогель значительно дороже золота. Второй недостаток — чрезмерно малая пластичность, то есть аэрогели очень хрупкие. Они выдержат давление, но не удар.

В принципе, изготовить аэрогель в домашних условиях можно. Но это будет очень дорого, сложно, и с высокой долей вероятности результат окажется несколько отличным от ожиданий. «Исходником» служит гель — материал (а точнее, дисперсная система), состоящий из двух компонентов — макромолекулярной сетки и низкомолекулярного растворителя, заполняющего поры сетки. «Наполнителем» может служить вода, спирт, углеводороды, а структурой — диоксид кремния, оксид алюминия, желатин и т. д. В аэрогеле же жидкий наполнитель заменяется воздухом, и получается пористая структура.

Первый аэрогель был получен из так называемого алкогеля — силикагеля (структуры, образованной растворами кремниевых кислот), поры которого были заполнены спиртом. Казалось бы, что может быть проще, достаточно извлечь жидкую составляющую и заменить газообразной. Но если провести такую операцию грубо, то структура «схлопнется» и деформируется. Поэтому получение аэрогеля предполагает определенные трудности.

Простейший способ, который использовал в 1920-х годах изобретатель аэрогеля Сэмюэл Кистлер, выглядит следующим образом. Сперва гель нагревается до критической точки — такой температуры и давления, при которой свойства жидкости и газа не различаются между собой. Затем давление понижается при сохранении критической температуры — при этом вещество сохраняет газообразное состояние.

Затем, второй ступенью, снижается и температура — спирта в структуре при этом слишком мало, чтобы он мог конденсироваться обратно в жидкость, и поры геля остаются наполненными газом (воздухом). В итоге мы получаем недеформированную структуру — аэрогель. Звучит несложно, но построить на кухне устройство для приведения геля к критической температуре, а тем более к давлению — задача не из тривиальных. Но, спешим заметить, это вполне возможно, и прецеденты есть.

Аэрогель можно сделать из значительного количества материалов — различных полимеров, металлов и т. д. Наиболее распространены в промышленности (если это можно назвать «распространением») три типа: на базе силикагелей, углеводородов и оксидов металлов. Чаще всего в экспериментах используют первый тип.

Силика-аэрогели выглядят воздушно-голубыми. Их окраска объясняется тем, что материал содержит большое количество частиц силики (оксида кремния) и заполненных воздухом или газом пор нанометровых размеров, которые рассеивают коротковолновое излучение (синий и фиолетовый) лучше, чем длинноволновое. То есть по той же самой причине, почему небо в ясный день имеет голубой оттенок: за счет рассеяния света на молекулах газов в атмосфере.

Аэрогели на основе углеродных гелей черные, напоминают и на вид, и на ощупь уголь, только очень легкий. Имея очень большую площадь поверхности и будучи хорошими проводниками, они могут использоваться для изготовления суперконденсаторов или топливных элементов.

Наконец, аэрогели на базе оксидов металлов используются в качестве катализаторов при химических реакциях, а также при производстве взрывчатых веществ, карбоновых нанотрубок и т. д. В отличие от силикогелевых и углеродных собратьев, металлические аэрогели могут быть разных цветов — в зависимости от используемого металла.

Применяются аэрогели в достаточно широком спектре областей, но, так сказать, понемногу. Одна из основных отраслей, использующих подобные материалы, — космическая.

Например, в 1999 году агентство NASA запустило космический аппарат «Стардаст», созданный специально для исследования короткопериодической кометы 81P/Вильда. Пролетев около 4,8 млрд километров, «Стардаст» успешно достиг кометы, сделал ряд фотоснимков и, что очень важно, собрал частицы «звездной пыли» из комы (облака пыли и газа), окружающей комету.

Для сбора образцов как раз и использовался аэрогель, известный своими абсорбирующими качествами. 260 аэрогелевых параллелепипедов уловили значительное количество частиц и послужили «контейнерами», позволившими доставить «звездную пыль» на Землю в полной сохранности. В 2006 году «Стардаст» успешно вернулся, и ученые впервые за много лет получили образцы космического вещества — причем не какого-то, а из «окружения» кометы; анализ полученных образцов стал еще одной вехой в исследовании космоса.

В принципе, в качестве ловушки можно было использовать и другие вещества, но ничто не могло сравниться с аэрогелем по сочетанию «малая масса — высокая адсорбирующая способность».

Конечно, не космосом единым жив человек. Для нас значительно более важно не исследовательское, а прикладное применение того или иного изобретения. Интересно, что на ранних стадиях аэрогели пытались применять практически во всех сферах человеческого существования — от косметики до взрывчатки, от сигарет до холодильников.

В 1940-х годах Сэмюэл Кистлер подписал контракт с компанией Monsanto, которая производила и продавала этот материал под торговой маркой Santocel. Содержание воздуха в «сантоселе» составляло порядка 94%. В первую очередь «сантосель» рекламировался как изоляционный материал для пожароопасных производств, поскольку был негорючим и очень легким.

Его абсорбирующие свойства позволяли использовать его в качестве загустителя в напалмовых бомбах, также он использовался при производстве лакокрасочной продукции и т. д. В течение четверти века Monsanto была единственным производителем аэрогелей в мире, но в 1970-х годах и она свернула производство странного вещества. Слишком мал был спрос, и слишком дорогим и опасным оставалось производство.

Но в 1980-х годах ученые разработали ряд более простых способов получения аэрогеля. Спирт был заменен диоксидом углерода, а применение в технологии изготовления силикагелей алкоголятов кремния снизило токсичность и повысило скорость производства. Аэрогель снова приобрел коммерческую ценность и получил второй шанс.

Ныне аэрогели применяются в различных отраслях промышленности, например при производстве силикона и строительных материалов. Аэрогель можно встретить в красках, косметике, водонепроницаемых и огнеупорных тканях, в ядерной отрасли. Но основное употребление он нашел в сфере изоляционных материалов.

В частности, это идеальный огнеупорный материал, позволяющий увеличить пожарную безопасность зданий, а также теплоизоляционная структура для труднодоступных участков (скажем, оконные щели в точках открывания). Да, стоимость его высока, но при грамотном использовании в определенных местах она выходит даже меньше, нежели при применении традиционных методов. Если в ближайшее время будут разработаны новые, более дешевые методики производства аэрогеля и его стоимость упадет, аэрогель вполне может стать товаром широкого потребления. Как алюминий, нейлон или дерево.

Исследование аэрогелей продолжается. Перед учеными стоит целый ряд задач: сделать материал прочнее, дешевле, а также обезопасить его производство. В 2002 году профессор Николас Левентис из Университета науки и технологий штата Миссури объявил о том, что разработал метод производства нехрупкого аэрогеля (раньше хрупкость была одной из основных проблем материала).

Вещества, созданные по методике Левентиса, получили наименование X-аэрогели — они более прочные и эластичные, но, с другой стороны, их производство весьма опасно и занимает больше времени. Ухудшились и изоляционные свойства. X-аэрогели могут найти применение в сфере производства брони, автомобильных шин, самолетов. Углеродные аэрогели можно применять для создания суперконденсаторов и топливных элементов.

Современная наука чаще всего базируется на исследованиях, которые проводятся в хорошо оборудованных лабораториях целыми институтами. Аэрогелем, как ни странно, может заниматься и ученый-одиночка — необходимое оборудование сравнительно доступно. Это открывает достаточно широкие возможности для исследований. В интернете можно найти целые сайты, посвященные методике и рецептам по изготовлению аэрогелей.

Но мы, кажется, так и не ответили на два важных вопроса, заданных в начале материала: действительно ли аэрогель может быть легче воздуха и почему китайский графеновый аэрогель стал сенсацией. Плотность различных аэрогелей обычно варьируется в пределах от 0,001 до 0,5 г/см^3 (чаще всего порядка 0,02 г/см^3) а плотность воздуха — 0,001225 г/см^3.

То есть аэрогель действительно может быть немного легче воздуха — такой эффект достигается удалением воздуха из пор и замещением его газом, более легким, чем воздух. Китайские же ученые поставили рекорд, добившись плотности 0,00016 г/см^3. Предыдущий рекорд сверхмалой плотности принадлежал материалу под названием аэрографит, созданному год назад немецкими учеными, — его плотность составляла 0,0002 г/см^3.

Основное достижение китайцев не только в разработке нового метода получения аэрогеля и установлении рекорда, но и в отличных свойствах графенового аэрогеля: он удивительно эластичен (восстанавливается после 90%-ного сжатия) и способен абсорбировать количество жидкости (масла), в 900 раз превышающее его собственную массу. Вполне вероятно, новое вещество станет великолепным улавливателем океанического мусора и, что немаловажно, загрязняющих воду веществ, например нефти.

В общем, широкое практическое применение аэрогелей в повседневной жизни, как говорится, на носу. Правда, пока совершенно непонятны размеры этого носа.