Аэрогель

Аэрогель — это класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, в результате чего твёрдое вещество образует высокопористую пространственную структуру. Аэрогели известны как одни из самых лёгких твёрдых материалов: их плотность может составлять от 1,0 до 150 кг/м³, что значительно ниже плотности воздуха (около 1,2 кг/м³). Ключевыми свойствами аэрогелей являются чрезвычайно низкая теплопроводность (ниже теплопроводности неподвижного воздуха), высокая удельная поверхность (до 1000 м²/г) и оптическая прозрачность некоторых разновидностей.

История

Первые аэрогели были получены в 1931 году американским химиком и инженером Сэмюэлом Стивенсом Кистлером (Samuel Stephens Kistler). Кистлер заменил жидкость в гелях кремниевой кислоты на газ, используя процесс сверхкритической сушки. В ходе этого процесса жидкая фаза удалялась без разрушения твёрдого каркаса, что позволяло сохранить структуру геля. Первые образцы были хрупкими и непрозрачными, но обладали уникальными теплоизоляционными свойствами.

В 1960-х годах исследования аэрогелей были продолжены в СССР. В 1970-х годах учёные из Института катализа СО РАН (Новосибирск) разработали методы получения аэрогелей на основе оксидов металлов (например, оксида алюминия) для использования в качестве катализаторов и носителей катализаторов. В 1980-х годах немецкие исследователи из Университета Вюрцбурга (Германия) усовершенствовали процесс сверхкритической сушки, что позволило получать прозрачные аэрогели на основе диоксида кремния.

В 1990-х годах NASA (США) начало исследования аэрогелей для космических применений, в частности для сбора космической пыли и теплоизоляции. В 1999 году аппарат «Стардаст» (Stardust) использовал аэрогель для сбора частиц из кометы Вильда-2. В 2000-х годах были разработаны гибкие и армированные аэрогели, а также аэрогели на основе углерода (например, графеновые аэрогели). В 2010-х годах в России (МГУ имени М. В. Ломоносова) были созданы аэрогели на основе целлюлозы и других биополимеров.

Классификация

Аэрогели классифицируются по химическому составу, структуре и способу получения.

По химическому составу

• Кремнезёмные аэрогели (на основе диоксида кремния, SiO₂). Наиболее распространённый тип. Обладают высокой прозрачностью и низкой теплопроводностью. Применяются в теплоизоляции.
• Углеродные аэрогели (на основе углерода, C). Получаются пиролизом органических аэрогелей. Обладают высокой электропроводностью и пористостью. Используются в суперконденсаторах и как адсорбенты.
• Оксидные аэрогели (на основе оксидов металлов, например, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂). Применяются в катализе, фотокатализе и как огнеупорные материалы.
• Органические аэрогели (на основе полимеров, например, полиуретана, полиимида, целлюлозы). Обладают гибкостью и низкой плотностью. Используются в термоизоляции и акустике.
• Гибридные аэрогели (комбинация органических и неорганических компонентов). Обладают улучшенными механическими свойствами.

По структуре

• Монолитные аэрогели — цельные блоки или пластины.
• Гранулированные аэрогели — сыпучие частицы размером от 0,1 до 10 мм.
• Волокнистые аэрогели — аэрогель, армированный волокнами (например, стекловолокном) для повышения прочности.

По способу получения

• Сверхкритическая сушка — классический метод, при котором жидкость удаляется в сверхкритическом состоянии (выше критической температуры и давления).
• Сушка при атмосферном давлении — более дешёвый метод, но требует химической модификации поверхности для предотвращения разрушения структуры.
• Лиофилизация (сублимационная сушка) — замораживание геля с последующим удалением льда в вакууме.

Свойства

Физические свойства

• Плотность: от 1,0 кг/м³ (самый лёгкий твёрдый материал) до 150 кг/м³. Для сравнения, плотность воздуха при нормальных условиях — 1,2 кг/м³.
• Пористость: 90–99,8 % объёма занимают поры, заполненные газом.
• Удельная поверхность: 100–1000 м²/г (высокая площадь поверхности обусловлена наноразмерными порами).
• Теплопроводность: 0,012–0,020 Вт/(м·К) (ниже, чем у неподвижного воздуха — 0,026 Вт/(м·К)). Это делает аэрогель одним из лучших теплоизоляторов.
• Скорость звука: в аэрогелях скорость звука составляет около 100–200 м/с (значительно ниже, чем в воздухе — 340 м/с), что обусловлено низкой плотностью и упругостью материала.
• Оптические свойства: кремнезёмные аэрогели прозрачны в видимом диапазоне (пропускают до 90 % света), но рассеивают синий свет, из-за чего кажутся голубоватыми (эффект Релеевского рассеяния).

Механические свойства

• Прочность: аэрогели хрупки и имеют низкую прочность на сжатие и растяжение (предел прочности на сжатие — 0,1–1 МПа). Для повышения прочности их армируют волокнами или полимерами.
• Модуль упругости: 0,1–10 МПа (зависит от плотности и состава).

Химические свойства

• Гидрофобность: большинство аэрогелей (особенно кремнезёмные) гидрофильны и легко впитывают влагу, что ухудшает их свойства. Для придания гидрофобности поверхность обрабатывают силанами (например, триметилхлорсиланом).
• Термостойкость: кремнезёмные аэрогели стабильны до 500–600 °C, углеродные — до 2000 °C в инертной атмосфере, оксидные — до 1000–1200 °C.

Получение

Процесс получения аэрогелей включает две основные стадии: приготовление геля (золь-гель синтез) и удаление жидкой фазы (сушка).

Золь-гель синтез

Исходные реагенты (например, тетраэтоксисилан для кремнезёмных аэрогелей) смешиваются с растворителем (спирт, вода) и катализатором (кислота или щёлочь). В результате гидролиза и поликонденсации образуется гель — трёхмерная сетка из частиц размером 2–10 нм, заполненная жидкостью.

Сверхкритическая сушка

Гель помещается в автоклав, где под давлением (10–20 МПа) и температурой (250–300 °C для CO₂) жидкость переводится в сверхкритическое состояние. В этом состоянии отсутствует поверхностное натяжение, что позволяет удалить жидкость без разрушения структуры. После сброса давления получается аэрогель.

Сушка при атмосферном давлении

Для удешевления процесса поверхность геля модифицируют гидрофобными группами, что предотвращает усадку при испарении жидкости. Сушка проводится при 50–100 °C в течение нескольких дней.

Применение

Теплоизоляция

Аэрогели используются в качестве теплоизоляционных материалов в строительстве (теплоизоляция стен, окон, трубопроводов), в авиационной и космической технике (теплозащита космических аппаратов, скафандров), в промышленности (изоляция холодильных установок, печей). Благодаря низкой теплопроводности, слой аэрогеля толщиной 1 см эквивалентен по теплоизоляции слою минеральной ваты толщиной 5–10 см.

Оптика

Прозрачные кремнезёмные аэрогели применяются в качестве оптических окон в черенковских детекторах (физика высоких энергий), а также в светофильтрах и световодах.

Катализ

Высокая удельная поверхность делает аэрогели эффективными носителями катализаторов (например, в процессах крекинга нефти, синтеза аммиака). Оксидные аэрогели (TiO₂, ZnO) используются в фотокатализе для очистки воды и воздуха.

Электроника

Углеродные аэрогели применяются в электродах суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов благодаря высокой электропроводности и большой площади поверхности.

Адсорбция

Аэрогели используются для поглощения нефтепродуктов (1 г аэрогеля может поглотить до 100 г масла), очистки воды от тяжёлых металлов и органических загрязнителей.

Космические исследования

В миссии NASA «Стардаст» (1999–2006) аэрогель использовался для сбора частиц космической пыли и кометного вещества. Частицы внедрялись в аэрогель, замедляясь без разрушения.

Акустика

Аэрогели обладают низкой скоростью звука и высоким коэффициентом звукопоглощения, что позволяет использовать их в звукоизоляции и акустических камерах.

Интересные факты

• Самый лёгкий твёрдый материал в мире — графеновый аэрогель, плотность которого составляет 0,16 мг/см³ (в 7,5 раз легче воздуха). Он был получен в 2013 году в Китае.
• Аэрогель занесён в Книгу рекордов Гиннесса как «самый лёгкий твёрдый материал» и «материал с самой низкой теплопроводностью».
• Несмотря на низкую плотность, аэрогель способен выдерживать нагрузку до 2000 раз превышающую его собственный вес (для некоторых типов).
• Прозрачный аэрогель кажется голубым из-за рассеяния света по закону Релея, аналогично цвету неба.
• В 2020 году российские учёные из Института катализа СО РАН разработали технологию получения аэрогелей на основе оксида алюминия для использования в качестве теплоизоляции в условиях высоких температур (до 1200 °C).

Источники

• Kistler S. S. Coherent Expanded Aerogels and Jellies // Nature. — 1931. — Vol. 127. — P. 741.
• Aegerter M. A., Leventis N., Koebel M. M. Aerogels Handbook. — Springer, 2011. — 932 p.
• Pierre A. C., Pajonk G. M. Chemistry of Aerogels and Their Applications // Chemical Reviews. — 2002. — Vol. 102, No. 11. — P. 4243–4265.
• Научно-технический журнал «Аэрогели» (Россия, 2010–2023).
• Материалы конференции «Аэрогели: синтез, свойства, применение» (Новосибирск, 2019).