Аерогел

Блокче аерогел в ръка

Аерогеловете (от лат. aer, въздух и gelatus, замразен) са клас материали, представляващи гел, в който течната фаза е изцяло заместена с газообразна. Такива материали имат рекордно ниска плътност и в същото време демонстрират ред уникални свойства: твърдост, прозрачност, огнеупорност и т.н. Разпространени са аерогелове на основата на аморфния силициев диоскид, алуминиев диоксид, също така оксидите на хрома и оловото. В началото на 90-те години на XX век са получени първите образци на аерогела на въглеродна основа.

Структура

Блокче аерогел, тежащо едва 2 грама удържа 2,5 килограмова тухла

Аерогеловете се отнасят към класа на мезопорестите материали, в които порите (кухините) заемат не по-малко от 50% от обема на материала. Правилно би било да кажем дори, че това отношение достига и 90-99%, а плътността е от порядъка на 1 до 150 кг/куб.метър. По своята структура аерогеловете наподобяват структурата на дървесината от обединени в групи наночастици с размери от 2 до 5 nm (нанометра, а 1 нанометър е равен на 0,000000001 метра), и пори с размери до 100 nm.

История

Първенството за изобретяване на аерогела било спечелено от химика Стивън Кистлър (Steven Kistler) от Техническия колеж (College of the Pacific) в Стоуктоун, Калифорния, САЩ и съобщението за постижението на Кистлър било публикувано през 1931 година в списание „Nature“.

Кистлър променил течността в гел на метанола, а след това нагрял гела под налягане до достигане 240 градуса по Целзий, колкото е критическата температура (температура, при която плътността и налягането на наситена пара става максимално, а плътността на течността, намираща се в динамическо равновесие с парата, става минимална) на метанола. Метанолът излиза от гела, не смесен в обема му; съответно и гела „изсъхва“, почти не смесен.

Свойства

На пипане аерогелът напомня лека, но твърда пяна, нещо като пореста пластмаса. При силно натоварване аерогела се троши, на като цяло е много твърд материал — образец на аерогел може да издържи натоварване 2000 пъти по-голямо от собствената му тежест. Аерогеловете също така имат особеност, като кварца, да са добри топлоизолатори, а също и силно хигроскопични. На външен вид са полупрозрачни.

Видове аерогелове

Най-много разпространени са кварцовите аерогелове, на тях принадлежи текущият рекорд за най-малка плътност на твърдо тяло — 1,9 кг/куб.метър, 500 пъти по-ниска от плътността на водата. Кварцовите аерогелове пропускат слънчева светлина, но силно поглъщат топлинното излъчване. Благодарение на това, а също така и на необичайно ниската си топлопроводимост (0,003 Вт/(м·К)), те се прилагат в строителството в качеството на топлоизолатори и топлоудържащи материали. Температурата на топене на кварцовия аерогел е 1200 градуса по Целзий.

Въглеродните аерогелове се състоят от наночастици, ковалентно свързани една с друга. Те провеждат електрически ток (те са електропроводници) и точно заради това могат да се използват в качеството на електроди в кондензатори. Много голямата площ на вътрешната повърхност (до 800кв.м./грам) на въглеродните аерогелове предизвикала промени в производството на суперкондензатори. Въглеродните аерогелове отразяват само 0,3% от излъчената в диапазона дължина на вълната от 0,25 до 14,3 микрометра на електромагнитните вълни, което ги прави ефективни поглъщатели на слънчевата светлина.

Употреба

Питър Тсоу от лабораториите по реактивно задвижване към НАСА държи образец на аерогел

Без голямо техническо приложение, обуславящо високопречистените уникални свойства, аерогелът е популярен преди всичко от факта, че е използван в проекта „Стардъст“ (космически апарат на НАСА, предназначен за изследване на кометата Уайлд 2) в качеството на материал за улавяне на космически прах.

Аерогеловете могат да се използват в качеството на газови и течни филтри. Аерогел на основата на железни оксиди с алуминиеви наночастици може да служи за взривно вещество (разработка на Ливерморската национална лаборатория-Лоуренс, САЩ).

В началото на 2006 година няколко компании, например Юнайтед Нуклиър , заявяват, че започват продажба на аерогел на частни лица. В зависимост от формата на образеца, цената варира от $25 (за фрагмент) до $125 (късче, помещаващо се на дланта).