Среда, 29 июня, 2022

Мы считаем, что мир 2051 — это мир без войны.

Сделанный из воздуха: история аэрогеля

Время на чтение 6 мин.

Невероятно легкий материал, который на 99,8 % состоит из воздуха. При этом обеспечивает теплоизоляцию лучше, чем у любого другого материала, выдерживая пламя температурой до 1300 градусов. При этом пластина из этого материала толщиной всего шесть миллиметров выдерживает взрыв килограмма динамита. Изобретен он был еще в 1931 году — так почему же аэрогель все еще не внедрен повсеместно?

Держу пари

История аэрогеля — одного из самых перспективных материалов XXI века — началась чуть меньше, чем сто лет назад с проверки гипотезы. Сэмюэл Кистлер, инженер-химик и преподаватель Тихоокеанского колледжа в Стоктоне, Калифорния с помощью своего студента Чарльза Ленарда попробовал создать такой гель (с точки зрения физики гель — это вещество, где один компонент создает трехмерный каркас, а другой заполняет пустоты в этой структуре), в котором жидкий компонент (именно он заполняет пустоты) был бы полностью замещен газом, и при этом сам гель не получил бы усадки из-за этого. По всей видимости, интересоваться этим вопросом Кистлер начал еще в 1920-е, и к 1931 году его работа увенчалась успехом. В журнале Nature вышла статья Coherent Expanded Aerogels and Jellies, в которой описывался принцип получения и условия существования вещества, позже названного аэрогелем.

Итак, аэрогели — это класс материалов, в которых жидкая фаза в геле полностью замещена газообразной, при этом полости в нем должны занимать не менее половины от общего объема. На микроуровне аэрогель представляет собой похожую на дерево систему из наночастиц размером от двух до пяти нанометров, объединенных в кластеры. При этом пустоты имеют размер до ста нанометров.

Такое строение обуславливает уникальные свойства аэрогелей. Сейчас уже получены материалы с плотностью 1,9 кг/м3, а это в 500 раз меньше плотности жидкой воды (1000 кг/м3) и лишь немного больше плотности воздуха (1,3 кг/м3). При этом теплопроводность у него может быть меньше, чем у воздуха, а вот нагрузку материал способен выдержать в две тысячи раз превышающую собственный вес.

Но подобные аэрогели — это изобретения гораздо более позднего времени. В 1931 году большого энтузиазма новый материал не вызвал — в первую очередь из-за своей чрезвычайной хрупкости (эта проблема, кстати, окончательно не решена до сих пор и является серьезным препятствием на пути к более широкому внедрению аэрогелей) и дороговизны и сложности в производстве.

Запускаем в производство. Или нет?

Сэмюэл Кистлер продолжал экспериментировать с аэрогелями и производил их едва ли не из всего, до чего мог дотянуться. Так, он первым создал аэрогель из кремнезема (диоксида кремния, SiO2) с плотностью 30 кг/м3, экспериментировал с оксидами алюминия, вольфрама, железа и олова. Аэрогели даже стали производиться промышленно. Компания «Монсанто» выпускала аэрогель из диоксида кремния в виде порошка под торговой маркой «Сантоцел» (pdf). Он использовался в качестве загустителя для красок, косметики и напалма, сигаретного фильтра и термоизолирующего вещества в морозильных камерах. Увы, к началу 1970-х производство было свернуто: аэрогель не выдержал конкуренции со стороны других материалов с аналогичными свойствами.

Иронично, что спустя небольшое время после кончины аэрогеля как промышленного продукта интерес к нему снова стал расти. Во-первых, как отдельная дисциплина появилось материаловедение, и знания о строении веществ и их свойствах стали более упорядоченными. Во-вторых, это привело к открытию более эффективных способов получения аэрогелей.

Легенда гласит, что в конце 1970-х французское правительство поручило Станиславу Тейхнеру, химику из Лионского университета, найти метод хранения кислорода и ракетного топлива в пористом материале. Тейхнер в свою очередь поручил аспиранту создать аэрогель, с которым можно было бы экспериментировать. Метод Кистлера для получения вещества был очень трудоемким и включал два этапа, в которых применялись разные растворители (в первом — вода, во втором — спирт), а также допускал наличие неорганических солей в финальном продукте. На производство первого образца аэрогеля у аспиранта ушло несколько недель. После чего Тейхнер сообщил тому, что для экспериментов нужно больше аэрогеля. Намного больше!

Говорят, подсчитав общее время на работу и получив результат в несколько лет, аспирант сначала пережил нервный срыв, а затем начал искать способ как-то ускорить работу.

Был срыв или нет, науке неизвестно, зато известно, что группа под руководством Тейхнера совершила прорыв в производстве аэрогелей, применив для этого метод золь-гель. То есть сначала производится золь (это когда мелкие капельки чего-нибудь находятся в объеме чего-нибудь другого), который потом переводится в гель. Также изначально использовавшийся силикат был заменен алкоксисиланами, кремний-органическими соединениями. Стало возможным производить гель в одну стадию и получать так называемый алкогель, который после сверхкритической сушки (это процесс контролируемого удаления жидкости, при котором поверхностное натяжение не разрушает структуру твердого вещества, как это происходит при обычной сушке) становится отличным, чистым, а главное быстрым и более дешевым в получении аэрогелем.

Больше аэрогелей, полезных и нужных!

В 1991 году Том Тиллотсон из Ливерморской национальной лаборатории в США (которая, к слову, была и остается одним из передовых центров исследований в области аэрогелей) разработал двухступенчатый золь-гель процесс для получения ультранизкоплотных кремниевых аэрогелей. Именно ему принадлежит упомянутый выше рекорд в получении материала с плотностью 1,9 кг/м3 — наименее плотного твердого материала в мире. В 1996 году группа ученых разработала и запатентовала метод, позволявший значительно ускорить получение аэрогеля.

В 2002 году был сделан большой шаг навстречу легким, но прочным материалам. Профессор Николас Левентис из Университета науки и технологий Миссури нашел способ легирования аэрогелей на основе оксида кремния полимерами. В получившихся икс-аэрогелях между частицами создаются полимерные мостики, которые делают материал значительно прочнее.

Тому же Левентису принадлежит заслуга в создании первого полностью металлического аэрогеля в 2009 году (до этого момента использовались только оксиды металлов) — аэрогеля из железа.

В 2007 году группа ученых под руководство доктора Арджуна Йода из Университета Пенсильвании впервые создала аэрогель на основе углеродных нанотрубок. Пользуясь этим открытием, ученые из Ливерморской лаборатории Маркус Уорсли и Сергей Кучеев создали удивительный материал, используя углеродные нанотрубки и углеродный аэрогель. Он может сжиматься на 80 % и возвращаться в исходное состояние, не деформируясь, а также обладает высокой электропроводностью.

Пока над аэрогелями по большей части ведутся эксперименты — и они показывают, что потенциал использования этого класса материалов огромен. Мы можем получить вещества с удивительными свойствами, которые откроют нам такие же удивительные возможности. Осталось дождаться, когда аэрогели начнут массово кочевать из лабораторий в широкое производство.