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 диоксид, 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 и пори с размери до 100 nm.

История

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

Кистлър променя течността в един гел на метанола, след което нагрява гела под налягане до 240°C, колкото е критичната температура на метанола. При тази температура плътността и налягането на наситената пара са максимални, а плътността на течността, намираща се в динамично равновесие с парата, е минимална. Метанолът излиза от гела, а гелът изсъхва, като почти не съдържа метанол.

Свойства

На пипане аерогеловете напомнят лека, но твърда пяна, пореста пластмаса. При силно натоварване те се трошат, но като цяло са много твърд материали: издържат две хиляди пъти собствената си тежест. Подобно на кварца, аерогеловете са добри топлоизолатори и са силно хигроскопични. На външен вид са полупрозрачни.

Видове аерогелове

Най-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 слънчевата светлина, но силно поглъщат топлинното излъчване. Затова, а също така и поради необичайно ниската си топлопроводимост (0,003 Вт/(м·К)) те се използват в строителството като топлоизолатори. Температурата на топене на кварцовия аерогел е 1200°C.

Въглеродните аерогелове се състоят от наночастици, ковалентно свързани една с друга. Тези материали провеждат електрическия ток, затова могат да се използват като електроди в кондензаторите. Огромната вътрешна повърхност на въглеродните аерогелове (800 кв.м./грам) предизвиква промяна в производството на суперкондензатори. Въглеродните аерогелове отразяват само 0,3% от светлината с дължина на вълната между 250 и 14300 нанометра, 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).