Як працює аерогель?

Відкритий менше століття тому, цей клас матеріалів дозволив людству здійснити прорив в області фізики і астрономії, створення складного наукового обладнання і суперсучасних засобів для боротьби з екологічними катастрофами. При цьому для широкого кола читачів цей «герой» залишається невідомим, що вже саме по собі несправедливо. Не пора познайомитися ближче з унікальним творінням вчених, здатним витримувати колосальні навантаження і при цьому запросто «ширяє» на кінчиках квіткових пелюсток?

Трохи історії

Аерогелі (від лат. «aer» – повітря, і «gelatus» – заморожений) – це гелевидні речовини, в яких рідина повністю заміщена її газоподібним аналогом. Такі матеріали мають рекордно низькою щільністю: 500 разів менше щільності води і всього в 1,5 рази більше щільності повітря. Вони також демонструють ряд унікальних властивостей: висока твердість і пружність, жароміцність, надзвичайно низьку теплопровідність, гігроскопічність і т. д.

За структурою аерогелі являють собою деревоподібну мережу з об’єднаних у кластери наночастинок розміром 2-5 нм і досі розмірами до 100 нм. Простіше кажучи, мова йде про надзвичайно легкою, але твердою піною (щось на зразок поролону). Правда, фрагмент подібного речовини, що лежить на вашій долоні, ви зможете виявити швидше з допомогою зору, ніж завдяки дотику – це все одно, що дотик крила метелика. Втім, ця структура лише здається тендітною, а насправді після стиснення структура відмінно відновлює свою первинну форму. Спираючись на цифри, можна стверджувати, що зразок аерогелю може витримати навантаження в 2000 разів більше власної ваги.

Першість у винаході визнано за хіміком Стівеном Кистлером (Steven Kistler) з Тихоокеанського коледжу (College of the Pacific) в Стоктоні (Каліфорнія). У 1931 році вчений опублікував результати своїх досліджень у журналі «Nature», і більше 80 років новинка залишалася самим легким матеріалом у світі. Аерогель був також відомий як «заморожений дим», оскільки за зовнішнім виглядом це речовина напівпрозоре і має значно меншу ступінь заломлення світла, ніж скло. І лише на початку 1990-х були створені ще більш «невагомі» види аерогелю, яким одразу ж знайшлося гідне застосування.

Як використовують аерогелі?

Сьогодні найбільше розповсюдження отримали аерогелі на основі аморфного діоксиду кремнію (силікону), кварцу, вуглецю, глиноземів, а також оксидів заліза, хрому та олова. Приміром, кварцові аерогелі відомі як чудові теплоізолятори (їх температура плавлення становить 1200 °C). В даний час на їх основі виготовляються теплоізоляційні матеріали для промислового застосування.

Вуглецеві аерогелі електропровідні і можуть використовуватися в якості електродів в конденсаторах. За рахунок дуже великої площі внутрішньої поверхні (до 800 мВІ/грам) вуглецеві аерогелі знайшли застосування у виробництві суперконденсаторів (ионисторов). Застосовуються ці пристрої для основного і резервного живлення в фотовспышках, ліхтарях, портативних плеєрах і автоматичних комунальних лічильниках — скрізь, де потрібно швидко зарядити пристрій. Вони так само є джерелом живлення для «альтернативного» транспорту – екологічно чистих автомобілів і автобусів.

Графеновий аерогель був створений групою вчених з університету Чжецзян (Zhejiang University). Його щільність нижче ніж щільність газоподібного гелію і трохи вища щільність газоподібного водню. Кожен грам такої речовини може забрати на себе 900 грамів органічного з’єднання, при цьому він буде поглинати забруднюючі навколишнє середовище продукти з хорошою швидкістю в€’ до 68,8 грамів органіки в секунду. На думку вчених, це дозволить використовувати аерогель для очищення океанів від нафтових плям, а також повсюдно використовувати його в якості газових і рідинних фільтрів.

Глиноземні аерогелі з оксиду алюмінію з добавками інших металів (гадоліній, тербий і до.) використовуються в якості каталізаторів. Саме так в НАСА був розроблений детектор високошвидкісних зіткнень: в місці зіткнення частинки з поверхнею відбувається флюоресценція, інтенсивність якої залежить від швидкості співудару. Такі детектори потрібні для експериментів практично на будь-яких коллайдерах, в яких частинки стикаються і породжують величезну кількість інших частинок (тих самих, які утворилися в результаті Великого вибуху). А ось аерогель на основі оксиду заліза з алюмінієвими наночастинками може служити в якості вибухівки (розробка Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса, США).

Освоєння космосу

Крім численних технічних застосувань, аерогель знаменитий насамперед використанням в проекті «Стардаст» («Зоряний пил») в якості матеріалу для пасток космічного пилу. Мова идеь про однойменному космічному апараті NASA, призначеному для дослідження комети «Вільда 2». У 1974 році це небесне тіло пройшло поблизу Юпітера, чиє потужне гравітаційне поле змінила орбіту комети – і переніс її у внутрішню частину Сонячної системи. Вченим важко було проігнорувати «гостю»: період обертання комети навколо сонця скоротився з 40 років до 6 років!

Реалізація проекту з дослідження комети було почато у 1995 році в рамках програми NASA «Discovery». 132 осередку повертається капсули апарату «Стардаст» були заповнені силіконовим аерогелем, який повинен був загальмувати летять на надзвичайно високій швидкості частинки кометної речовини без їх перегріву, дозволяючи запобігти руйнуванню навіть органічних молекул, якщо вони виявляться на цих частках. Станція була запущена у відкритий космос7 лютого 1999 року, а 15 січня 2006 року капсула із зразками кометної пилу з успіхом повернулась на Землю.

«Стардаст» зумів захопити близько 30 великих і дрібних частинок кометної речовини., серед яких були виявлені такі хімічні елементи, як магній, алюміній, хром, нікель, марганець, мідь, галій. Несподіваним відкриттям став ізотоп заліза 60Fe – досить «молоде» речовина, що володіє досить малим періодом напіврозпаду, що змінює багато уявлення про формування Сонячної системи. У складі зразків пилу комети вчені так само знайшли амінокислоту гліцин (так званий «космічний цукор») і велика кількість ізотопу вуглецю 13С, якого мало на Землі.