От сигаретных фильтров до космических орбит
В начале 1940-х годов Стивен Кистлер, отец аэрогеля, подписал контракт с компанией Monsanto Company на использование его изобретения. Первые изделия из аэрогеля производились на заводе компании в Массачусетсе и представляли собой загустители для красок и макияжа. Аэрогель даже пытались использовать в сигаретных фильтрах и в качестве изоляции морозильных камер. Но в 1970 году производство было прекращено из-за дороговизны. Более популярные и дешевые новинки вытеснили материал с рынка.
Сегодня интерес к удивительному материалу снова растет. В зависимости от вида аэрогеля, он способен найти применение в различных областях. Например, кварцевый аэрогель, обладая высокими теплоизоляционными свойствами, приносит пользу в строительстве, машиностроении, авиации и энергетике, медицине и фармацевтике, легкой промышленности для пошива одежды. Компания Xiaomi представила легкую и стильную куртку с аэрогелем, которая не боится влаги, низких температур и стиральной машинки.
Легкая пористая структура позволяет материалу быстро впитывать влагу. А это отличная возможность использовать аэрогели для очистки при разливе загрязняющих веществ, например, нефти.
Эту же особенность использовали NASA на борту корабля для улавливания частиц космической пыли. Кроме того, удивительная легкость аэрогеля очень удобна для использования в космических проектах для теплоизоляции скафандров.
Аэрогель можно найти в современных коврах, косметике, красках, трубах, окнах, гидрокостюмах, крышах. Модная индустрия тоже не отстает. Французский бренд Coperni создал сумку из аэрогеля весом всего 33 грамма.
Замороженный дым на ладони
Аэрогель — это собирательный термин, обозначающий группу материалов с пока непривычными для нас свойствами. Они обладают крайне низкой плотностью. Это, пожалуй, самые низкоплотные твердые материалы из когда-либо произведенных в мире.
Что первым делом представляется при упоминании слова гель? Влажное желеобразное вещество. Но аэрогель — это совсем другое. Представьте тарелку с желатином, из которого удалили всю жидкость и заменили ее воздухом. При этом материал не разрушается, а сохраняет свою структуру, напоминающую пенопласт. Фактически это лишь каркас, сухой пористый материал, не имеющий жидкой составляющей. В его структуре крайне мало твердых веществ, он состоит из воздуха на 99,8%. Такой состав придает аэрогелю полупрозрачный внешний вид, за что он получил прозвище «замороженный дым».
Изобретение «на спор»
Первенство в изобретении этого чудесного материала признано за американским ученым Стивеном Кистлером. Точно неизвестно, когда именно он сделал это открытие и придумал ли термин «аэрогель» или позаимствовал его где-то еще.
Но большинство историков сходится во мнении, что изобретение появилось в период между 1929 и 1930 годами. Тогда Кистлер преподавал в Тихоокеанском колледже в Калифорнии и однажды поспорил с коллегой, Чарльзом Лайнджером, что сможет заменить жидкость в желе на газ. При этом форма желе должна была остаться неизменной.
Выиграл Кистлер пари или нет, никто не знает. Но в качестве бонуса, получил новое изобретение. Прототипом всех современных видов аэрогелей, изобретенным в его лаборатории, служит известный всем силикагель, который используется в качестве поглотителя влаги.
Виды аэрогелей
В зависимости от состава и специальных добавок аэрогели делятся на три группы:
- Кварцевые — обладают плотностью 1,9 кг/м³. Для сравнения, это в 500 раз меньше плотности воды. Кроме того, эти материалы хорошо пропускают солнечные лучи и отличаются низкой теплопроводностью. Температура плавления кварцевых аэрогелей около 1200 .
- Углеродные — отличаются высокой электропроводностью, что позволяет использовать их в качестве электродов в конденсаторах. И эффективно поглощают солнечный свет.
- Кремниевые — изготавливаются из оксида алюминия с добавлением других металлов и находят применение в качестве катализаторов.
Прочность стали и хрупкость чипсов в одном материале
Одно из самых известных и полезных свойств аэрогелей — их невероятная легкость. Показатели плотности этих материалов укладываются в рамки от 0,0011 до 0,5 г/см³. Это значит, что в среднем аэрогели всего в 15 раз тяжелее воздуха и превышают его плотность лишь в три раза.
Несмотря на кажущуюся эфемерность, аэрогели обладают удивительной прочностью. Они могут выдерживать нагрузку, превышающую их вес в 2000 раз, а иногда и больше. Но у этого рекорда есть и другая сторона. Поскольку аэрогели обладают крайне низкой плотностью, не нужно сильно утруждаться, чтобы создать давление, превышающее вес материала в 2000 раз. Фактически, чтобы разрушить кусочек аэрогеля, требуется столько же усилий, сколько нужно для уничтожения пористой чипсины.
А вот еще один удивительный параметр — отношение площади полной поверхности к весу. Эта цифра может составлять до 3200 м²/гр. Всего одного грамма материала будет достаточно, чтобы покрыть половину футбольного поля. Сложно такое представить, но все дело в структуре аэрогеля. Стенки толщиной всего в несколько нанометров образуют причудливый лабиринт из пор, наполненных воздухом. А при необходимости эти внутренние полости с легкостью впитывают влагу, что отлично пригодится для защиты изделий, боящихся сырости.
Кроме того, в зависимости от материала, из которого изготовлен аэрогель, он может демонстрировать чудеса огнеупорности и теплопроводности. А также использоваться в качестве отличных электрических проводников.
Но почему же этот уникальный материал, созданный в середине прошлого века, до сих пор не обрел массовую популярность? Все дело в сложности, а значит, и стоимости производства. Один кубический сантиметр аэрогеля стоит около 1 доллара. Кроме того, ученые работают над возможностью сделать материал более прозрачным. Сегодня он имеет голубоватый или желтоватый оттенок, а некоторые разновидности и вовсе черные. Если удастся решить эти две главные проблемы, то аэрогель ожидает великое будущее.
