DIY aerogel kod kuće. Aerogel je neobična kreacija ljudskih ruku. Aerogel, kakav je to materijal?

Aerogel - vrlo neobična kreacija ljudske ruke, materijal koji je nagrađen sa 15 pozicija u Ginisovoj knjizi rekorda zbog svojih jedinstvenih kvaliteta. Naziv "aerogel" dolazi od dva Latinske riječi aer - air i gelatus - smrznuti. Stoga se aerogel često naziva „zamrznutim dimom“.

Međutim, izgledom aerogel zaista podsjeća na smrznuti dim. Aerogel je neobičan gel u kojem nema tekuće faze, potpuno zamijenjen plinovitom, zbog čega tvar ima rekordno nisku gustoću, samo jedan i pol puta veću od gustine zraka, i niz drugih jedinstvenih kvalitete: tvrdoća, providnost, otpornost na toplinu itd. Aerogel je takođe iznenađujući jer se sastoji od 99,8%... vazduha!
Istorija pojave aerogela još uvijek nije u potpunosti shvaćena. Poznato je samo da ga je američki naučnik Semjuel Kistler prvi primio krajem dvadesetih ili tridesetih godina prošlog veka na koledžu Pacifika u Stocktonu (Kalifornija). Dobiven, kao što se ponekad dešava, u naučnim istraživanjima, gotovo slučajno, kao nusproizvod kristalizacije aminokiselina u superkritičnim prezasićenim tečnostima. Naučnik je postigao proizvodnju aerogela zamjenom tečnosti u običnom gelu metanolom. Nakon toga, gel je zagrejan pod visokim pritiskom do 240 stepeni (kritična temperatura za metanol). U ovom trenutku, metanol je napustio gel, ali dehidrirana pjena nije smanjila volumen. Kao rezultat toga, formiran je lagani, fino porozan materijal, kasnije nazvan aerogel. Službenim datumom pojavljivanja novog materijala smatra se 1931. godina, vrijeme objavljivanja članka o njemu u časopisu Nature. Poreklo termina "aerogel" je takođe nepoznato. Ostaje misterija da li je to sam Kistler uveo u naš govor, ili je iskoristio nagoveštaj svojih kolega. Prvi aerogel je naučnik dobio od kvarca. Kasnije su naučili da prave ovaj materijal od metalnih oksida, organska materija, i mnoge druge polazne sastojke.
Po strukturi, aerogelovi su drvenasta mreža čestica veličine 2-5 nanometara udruženih u homogene grupe (klastere) i pora ispunjenih vazduhom veličine do 100 nanometara. Izvana, aerogel najviše liči na prozirnu ili prozirnu smrznutu pjenu od sapuna. Kada se gleda golim okom, aerogel izgleda kao čvrsta, homogena supstanca, što ga razlikuje od takvih poroznih medija kao što su razne pjene. Aerogel je također na dodir poput smrznute pjene. Ovo je prilično jak materijal - aerogel može izdržati opterećenje od 2000 puta veće težine. Na primjer, mali blok aerogela težine 2,38 g lako može izdržati ciglu od 2,5 kg!

Kvarcni aerogelovi su veoma dobar toplotni izolator. Proces proizvodnje aerogela je složen i radno intenzivan. Prvo, korištenje hemijske reakcije, gel se polimerizuje. Ova operacija traje nekoliko dana, a rezultat je žele sličan proizvod. Zatim se voda iz želea uklanja alkoholom. Njegovo potpuno uklanjanje ključ je uspjeha cijelog procesa. Sljedeći korak je “superkritično” sušenje. Proizvodi se u autoklavu na visok krvni pritisak i temperaturu, proces uključuje ukapljivanje ugljen-dioksid Primena kvarcnog aerogela kao izolacionog materijala počela je četrdesetih godina dvadesetog veka. Poznata kompanija Monsanto je proizveo ovaj proizvod prema ugovoru o licenciranju sa Kistlerom. Međutim, zbog njihove visoke cijene, aerogel toplinski izolatori nisu bili široko korišteni, a proizvodnja je prekinuta sedamdesetih godina. Tek na samom kraju prošlog veka aerogelovi su ponovo počeli da se široko koriste u čovečanstvu, pre svega u svemirskoj industriji. najvažniji element Array catcher, koji je koristila svemirska sonda Stardust da uhvati milione sitnih čestica sa repa komete Wild 2 i donese lender sa ovim uzorcima na Zemlju. Inače, među raznovrsnim česticama koje je sondom uhvatila, pronađeni su tragovi glicina, najvažnije aminokiseline za stvaranje proteina. Za naučnike koji dijele teoriju o vanzemaljskom porijeklu života, ovo otkriće postalo je indirektan dokaz da su bili u pravu.
Planirano je da se aerogel koristi kao jedinstveni toplotni izolator u svemirskim odijelima američke proizvodnje kreiranim za NASA-in projekat Mars. NASA je takođe najavila upotrebu aerogela kao toplotnog štita za nove modele šatla. Aerogelovi su također obećavajući u mikroelektronici. Uglavnom zbog činjenice da imaju najnižu dielektričnu konstantu. Upotreba aerogela kao izolacijskih slojeva u višeslojnim štampane pločeće značajno povećati performanse elektronike.Američki hemičari su 2007. godine predstavili aerogele koje su stvorili, a koji mogu poslužiti kao filter za prečišćavanje vode iz štetne nečistoće, kao što su živa, olovo i drugi toksični teški metali. Do sada je proizvodnja ovih materijala prilično ograničena zbog visoka cijena, jer Filteri sadrže platinu, ali kada se nađe zamjena za nju u obliku jeftinijeg analoga, nova vrsta prečistača će moći da oslobode vodene površine planete od teških metala. Osim toga, novi aerogelovi pokazuju poluvodička svojstva i stoga se mogu koristiti u fotonaponskim ćelijama i drugim optoelektronskim uređajima.

Kvarcni aerogel, kao što je već spomenuto, jedinstven je toplinski izolator. Može izdržati temperature do 500 stepeni Celzijusa, a sloj debljine 2,5 cm dovoljan je da zaštiti ljudsku ruku od direktnog uticaja blowtorch. Postoje varijante aerogela sa tačkom topljenja do 1200 C. Svojstva arogela u velikoj meri zavise od izvorni materijal, od kojih se prave. Postoje aerogelovi napravljeni od glinice (sa dodatkom aluminijum oksida), silicijum dioksida, kao i kalaja i hrom oksida. Nedavno su se proizvodili aerogelovi na bazi ugljika. Postoje aerogelovi koji se koriste kao katalizatori. NASA trenutno testira aerogele od aluminijum oksida koji sadrže rijetke elemente - gadolinijum i terbijum. Ovi aerogelovi se koriste kao brzi detektori sudara. Neke prozirne varijante aerogela naučnici razmatraju kao zamjenu prozorsko staklo. Na kraju krajeva, indeks prelamanja aerogela je mnogo niži od indeksa stakla (1,05 naspram 1,5). Nauka je već uspjela prevladati početnu krhkost ovog obećavajućeg materijala; sada su dostupni elastični i fleksibilni aerogelovi. Na dnevnom redu je pitanje smanjenja troškova proizvodnje do granica koje čine upotrebu u velikim razmjerima profitabilnom. Aerogelovi se često nazivaju materijalom 21. veka. Da li je to tako, videćemo uskoro.

Postoje li materijali koji su 90 posto zraka? A u isto vrijeme, čvrsta, toplinska i zvučna izolacija, provodljiva električna energija i općenito sposobna da nađe primjenu u nekoliko industrija odjednom? Pročitajte u sljedećem članku iz naše serije “Pet elemenata”, koji N+1 radi zajedno sa NUST MISIS, oko aerogelova - nanomaterijala ispunjenih vazduhom.

Svojstva aerogela

Fotografija ispod prikazuje jedan od najčešćih aerogela - napravljen od silicijum dioksida. Nazivaju ga i "plavim dimom" zbog njegove prelepe opal-plavkaste nijanse. Izvana, ovaj aerogel izgleda kao komad leda, ali u stvari je iznenađujuće lagan i tvrd. I potpuno suva. Osjeća se kao pjena, ali ne kao žele ili led. Ako komad takvog "dima" ispustite na tvrdu podlogu, on će odskočiti poput lopte za plažu, a zvuk će biti sličan zvonjavi staklenog ukrasa za jelku.

Postoje i drugi aerogelovi od najviše različite boje, ali isto tako bestežinski. Koja svojstva ima ovaj materijal? Evo najtipičnijih:

Većina aerogela se lako lomi rukom, uprkos njihovoj tvrdoći. Odnosno, krhke su, ali tvrde - neke mogu izdržati 4000 puta veću težinu bez lomljenja.

Cigla je poduprta efemernim blokom silicijevog dioksida

Međutim, već su stvoreni plastični aerogelovi koji se mogu savijati i koji se mogu čak i udariti čekićem. Upravo se ovi materijali planiraju koristiti za izolaciju svemirskih odijela stvorenih u sklopu buduće ekspedicije na Mars. I ne samo svemirska odijela - proizvođači odjeće i putne opreme već aktivno eksperimentiraju s takvim materijalima.

Aerogelovi imaju još jedan jedinstveni parametar - omjer površina puna površina do težine: do 3200 kvadratnih metara po gramu. To znači da ako zamislite cijelu površinu kao jednu ravninu, onda je jedan gram ovog materijala dovoljan da pokrije pola nogometnog terena! Kako ovo može biti? Sve je u strukturi ovog neverovatnog materijala. Ispostavilo se da je aerogel gotovo čvrsta „rupa od krofne“: ultratanke čvrste stijenke debljine samo nekoliko nanometara (milionitog dijela milimetra) čine složeni trodimenzionalni lavirint pora i slojeva. Same pore su veličine od desetina do stotina nanometara i, u normalnim zemaljskim uslovima, ispunjene su zrakom – on ispunjava 90-99 posto zapremine materijala. A povremeno se ove super spužve savršeno mogu napuniti nečim drugim. Na primjer, nafta se izlila na površinu mora zbog nesreće tankera. Osim toga, tako ogromno područje s tako malom težinom izvrsno je za stvaranje jonistora - superkondenzatora kapaciteta stotina i tisuća farada (kapacitet konvencionalnog kondenzatora obično se mjeri u mikrofaradima). Možda će u bliskoj budućnosti zamijeniti klasične baterije. I ne zaboravimo na katalizatore, jer u njima površina također igra odlučujuću ulogu - o tome ovisi učinkovitost utjecaja katalizatora na kemijsku reakciju.

Šta je gel

Dakle, jedinstvena svojstva aerogela su prvenstveno zasnovana na njihovoj prostornoj strukturi sa sićušnim otvorenim porama. Materijal zidova, naravno, takođe je bitan. Na primjer, u velikoj mjeri zavisi mehanička svojstva, kao i električnu provodljivost određenog aerogela.

Ali kako se tako zamršeni šuplji "mjehurići" sa čvrstim zidovima mogu dobiti u praksi? Odgovor leži u nazivu samog materijala. Gelovi su početni materijal za stvaranje aerogela. Ti isti gelovi, vlažni i teški, poput želea. Inače, dobro poznata želatina je takođe pogodna za stvaranje ovog nanomaterijala. Usput, šta je gel? Na dodir, svi imamo dobru predstavu o ovoj supstanci, ali šta ona predstavlja na mikro nivou? Ispostavilo se da se svaki gel sastoji od dvije komponente s različitim fizičkim svojstvima: čvrste faze u obliku kontinuirane porozne prostorne strukture koja prožima cijeli uzorak i tekuće faze koja ispunjava pore. Štaviše, karakteristična veličina čvrste faze je samo desetine nanometara, jer su čvrste faze u gelovima obično konglomerati nanočestica ili dugih makromolekula.

Tipičan gel se može zamisliti kao pjenasti sunđer za pranje posuđa natopljen tekućinom. Samo su pore u takvom sunđeru stotine hiljada puta manje nego u onom u našoj kuhinji. Šta se dešava ako uklonite svu tečnost iz takvog sunđera? Rezultat je suhi sunđer s porama ispunjenim zrakom. Dakle, ovo je aerogel! Ispada da je za dobivanje ovog materijala dovoljno jednostavno osušiti bilo koji gel? Nažalost nema. Praksa pokazuje da kada tečna faza ispari, gel počinje brzo da se smanjuje u volumenu i na kraju dobijemo malu gustu grudvicu suhe tvari, a ne željeni porozni nanomaterijal ultra male gustoće. Ali zašto se pjenasti spužva suši bez smanjenja volumena, dok se njegov gel pandan ponaša potpuno drugačije? I kako se nositi s ovim?

Zapravo, fundamentalna razlika između našeg modela sa spužvom i pravog gela je veličina pora: za spužvu one se mjere u milimetrima, a za gelove su desetine nanometara, odnosno razlika je otprilike pet redova veličine. Sada zamislimo kako tečnost isparava iz pora: u nekom trenutku tečnost prestaje da ih potpuno ispunjava, a pojavljuje se granica između tečnosti i pare te tečnosti pomešane sa vazduhom. Kao što je poznato, sile površinskog napona uvijek djeluju na granici tekućine, što dovodi do interakcije između površine tekućine i zidova posude (u našem slučaju zidova pora). Ako su zidovi dobro navlaženi, tada površina tekućine poprima konkavni oblik i na zidove djeluje sila koja ih uvlači u posudu. Veličina ove sile po jedinici dužine zida pora duž granice tečnosti ne zavisi od radijusa pora. Ali istovremeno, u gelu su zidovi ovih pora hiljadama puta tanji nego u našem sunđeru. Ispostavilo se da je specifična sila koja se primjenjuje na zidove u gelu i u spužvi ista, ali su debljina ovih stijenki i, shodno tome, njihova mehanička čvrstoća potpuno različite. Nije iznenađujuće da pore sunđera mogu izdržati isušivanje tečnosti koja ih ispunjava, ali pore gela ne mogu. Otuda i "skupljanje" gela pri sušenju - površina tekućine u porama jednostavno lomi krhke zidove jedan za drugim dok isparava, a kao rezultat dobivamo suhu ljepljivu grudu slomljenih zidova, a ne ažurnu strukturu karakteristika aerogelova.

Kako osušiti gel

Kako možete ukloniti tekućinu iz krhkih pora gela, a da ne uništite njegovu strukturu? Rješenje je daleke 1931. godine pronašao američki naučnik Samuel Stephens Kistler. Prema nekim izvještajima, kladio se sa svojim kolegom da bi on mogao biti prvi koji će izvesti ovu delikatnu operaciju i dobio opkladu. Kistlerova ideja je bila da se riješi površine tekućine i sila napetosti povezanih s njom, budući da je površina uzrok svih nevolja. Zamislimo da imamo zatvorenu staklenu bocu koja je do pola napunjena tečnošću. Kroz prozirne zidove vidjet ćemo granicu tekućine i plina iznad nje. Sada počnimo sa zagrijavanjem boce. Tečnost iznutra će ispariti, što će povećati količinu i pritisak pare iznad njene površine. I naravno, temperatura ove pare. Ako nastavite zagrijavati dovoljno dugo, tada će u određenom trenutku tlak i temperatura unutar tikvice dostići takav nivo da će gustoća pare postati jednaka gustoći tekućine i granica između njih će jednostavno nestati . A sama para i tečnost će izgubiti karakteristike koje su nam poznate (na primjer, tekućina će postati kompresibilna) i pretvoriti se u jednu nerazdvojivu cjelinu. Zajedno sa faznim interfejsom nestat će i sile površinskog napona. Takva temperatura i pritisak pri kojima para prestaje da se razlikuje od tečnosti, a tečnost od pare, nazivaju se u termodinamici kritičan i prikazani su kao kritična tačka na faznom dijagramu:

Za vodu, kritična temperatura i pritisak su 374 stepena Celzijusa i 218 atmosfera, respektivno. Odnosno, ako gelom na bazi vode povećamo pritisak u komori na 218 atmosfera ili više, a zatim podignemo temperaturu iznad 374 stepena Celzijusa, onda će svaka razlika između pare i vode nestati – dobićemo tzv. superkritični fluid. Unutar svake pore gela biće veoma gusta para ili voda, što je u takvim uslovima u suštini ista stvar. Ako sada počnemo snižavati tlak na kritično i niže, uz održavanje temperature iznad kritične, tada će ova gusta para početi postupno napuštati gel bez ikakve kondenzacije. Zatim možete početi snižavati temperaturu sve dok preostala para ne napusti gel i ne pretvori se u suvi aerogel koji nam je potreban, ispunjen zrakom. Opisani proces se zove superkritično sušenje i prikazan je crvenom strelicom.

Kako, prema ovom scenariju, tokom transformacije tečnosti u paru ne postoji granica između tečnog i gasovitog medija, unutar pora ne postoje sile površinskog napona i one ostaju netaknute tokom procesa sušenja. Zelena strelica označava scenario sušenja u kojem se tečnost pretvara u paru na uobičajen način. U ovom slučaju imamo istovremeno postojanje dva fazna stanja, interfejs i, shodno tome, uništavanje strukture gela. Plava strelica pokazuje da je moguć i treći način, koji se naziva sušenje zamrzavanjem. U ovom scenariju, tečnost unutar pora se prvo prenosi čvrstom stanju zamrzavanjem, a zatim, pod sniženim pritiskom, pretvaranjem čvrste faze u gasovitu fazu, zaobilazeći tečnu fazu (i povezane probleme površinske napetosti). U praksi, ova opcija zapravo omogućava dobijanje nekih vrsta aerogela.

IN pravi zivot Direktna upotreba gelova na bazi vode za proizvodnju aerogela je vrlo nezgodna zbog visoke kritične temperature i pritiska vode. Stoga se prije početka sušenja prvobitna tečna komponenta gela obično zamjenjuje prikladnijom u smislu kritične tačke. Takav supstituent može biti, na primjer, metil alkohol (kritična temperatura - 250 stepeni Celzijusa, kritični pritisak - 77 atmosfera). Kistler je koristio alkohole za dobivanje aerogela sa zidovima od neugljičnog dioksida. organska jedinjenja. Za organske proizvode preporučio je tečni propan kao tečnu komponentu gela tokom superkritičnog sušenja. Također se koriste aceton i tečni ugljični dioksid. Općenito, danas postoji dosta "recepata" za pripremu aerogela. Na internetu možete pronaći čak i preporuke za izradu kod kuće.

U Rusiji se nekoliko naučnih centara bavi istraživanjem aerogela, uključujući Centar za kompozitne materijale NUST MISIS. Istraživač Centra, kandidat fizičko-matematičkih nauka Fedor Senatov dao je sledeći komentar u vezi sa tehnološkim mogućnostima korišćenja superkritičnog stanja materije: „Zanimljivo i korisna funkcija tvari u superkritičnom stanju (fluid) je da je uz njegovu pomoć moguće ne samo formirati poroznost u gelu, već i modificirati sam materijal, kao i ukloniti nepotrebne nečistoće iz njega. Na primjer, možete otopiti ljekovitu supstancu u superkritičnoj tekućini i tretirati polimerni gel ovom tekućinom. Kada tečnost prodre u gel, sa sobom će doneti lek, koji će ostati u polimeru nakon što se pritisak smanji i tečnost napusti. Tako će se dobiti aerogel koji se može koristiti u medicini za ultrafiltraciju bioloških tečnosti sa istovremenim lekovitim dejstvom.

Koristeći istu metodu, možete ukloniti nepotrebne nečistoće iz materijala. Ova metoda, koja se u literaturi naziva superkritična fluidna ekstrakcija (SFE), koristi se dosta dugo kako u laboratorijska istraživanja, i u industrijska proizvodnja. Najčešći primjer ekstrakritične ekstrakcije tekućine je korištenje scCO2 za dekofeinizaciju kafe. Više od sto hiljada tona kafe bez kofeina se proizvodi u svijetu godišnje korištenjem scCO 2."

Metalni oksidi. Odgovarajući aerogelovi se široko koriste za proizvodnju katalizatora. Obično sadrže aluminijum oksid sa dodatkom nikla. NASA koristi aluminijski aerogel sa dodatkom gadolinija i terbija za detekciju kosmičkih čestica ultra visoke energije. Činjenica je da ovi aerogelovi fluoresciraju kada takve čestice uđu u njih, što im omogućava da budu snimljene. Štaviše, snaga zračenja zavisi od energije čestice. Boja metalnih oksidnih aerogelova uvelike varira.

Organski polimeri. Na primjer, aerogel napravljen od agar-agara, istog onog koji se dodaje voćnom želeu. Drugi organski materijal, celuloza, koristi se za proizvodnju fleksibilnih aerogela.

Halkogeni. U ovu grupu spadaju: sumpor, selen, telur itd.

Kadmijum selenid . Aerogel napravljen od ovog materijala ima poluvodička svojstva.

Štaviše, svojstva aerogela mogu se dodatno modificirati uvođenjem različitih modificirajućih aditiva u sastav čvrste faze.

Trenutno postoje glavni segmenti industrije u kojima su aerogelovi našli svoju primjenu:

Sergej Petrov

Kada se povećaju troškovi energije, povećava se potreba za efikasnijim korištenjem energije. Procjenjuje se da 40% energije koju koristimo trošimo na održavanje topline naših domova. Više od 30% ove energije prolazi kroz zidove (u građevinarstvu ovaj proces nazvan termalnim mostom).

Zasnovan na tehnologiji koju je razvila NASA, najviša izolacija postojeći materijali, Thermablok brend je stvorio nevjerovatan proizvod koji može pronaći potražnju u građevinskoj industriji. Aerogel, koji se naziva i "zamrznuti dim", teško je prilagoditi za široku upotrebu zbog svoje krhke strukture. Međutim, Thermablokov patentirani materijal sadrži jedinstvena vlakna koja mu omogućavaju da se savija i kompresuje, a da pritom zadrži svoja nevjerovatna izolacijska svojstva.

Samo jedna traka aerogela (6,25 mm x 38 mm) položena duž svakog profila prije oblaganja zida gipsanom pločom povećava izolacijski kapacitet zidova za više od 40%, prema naučnicima iz laboratorije Oak Ridge američkog Ministarstva energetike.

Thermablok materijal je razvila istraživačka kompanija Acoustiblok(R). Mark Nothstein, koji je vodio istraživanje, rekao je: “Čvrste tvari su, naravno, bolji provodnici topline od zraka ili vakuuma. Dakle, u zidu na drvenom ili metalni profili upravo profili učestvuju u prenosu toplote, mehanički povezujući dve strane zida. Termička analiza pokazuje da su profili provodne tačke. Budući da je Thermablok™ aerogel 95% zraka i nalazi se između profila i suhozida, sprječava mehanički kontakt (toplotni most).

NASA već nekoliko godina razvija tehnologiju izolacije aerogelom, koristeći je u svemirskim šatlovima, svemirskim odijelima i drugim naprednim aplikacijama, uključujući najnoviju misiju na Mars. Ova tehnologija je potencijalni proboj u ovoj oblasti racionalno korišćenje energije i izgradnje energetski efikasnih zgrada.

Predsjednik i osnivač Acoustibloka, Lachni Johnson inspiriran je da stvori novi proizvod koji je produžetak već uspostavljenog ekološki prihvatljivog Acoustiblok proizvoda. Johnson je ponosan što njihova kompanija proizvodi proizvode koji nisu samo ekološki, već i energetski efikasni. „Mogućnosti upotrebe materijala su beskrajne“, kaže on, „u tradicionalnoj gradnji, kao i zaštiti privatnost zbog svojih akustičkih svojstava."

Prednosti Thermablok materijala:

• smanjuje troškove energije,
• potpuno predmet ponovo koristiti,
• ne sadrži supstance koje uništavaju ozonski omotač,
• više od 30% napravljeno od recikliranih materijala,
• kompozitni materijal, više od 95% se sastoji od vazduha,
• vodoodbojna, na vlagu, plijesan ili voda,
• lako se lijepi,
• U slučaju požara lako se gasi vodom,
• ekonomičan,
• ne teži praktično ništa i ne zahtijeva velike troškove transporta,
• podstiče zvučnu izolaciju,
• izdržljiv jer ne reaguje sa atmosferskom vlagom,
• napravljeno u sad.

Aerogelovi (od lat. aer- vazduh i gelatus- smrznuti) - klasa materijala koji su gel u kojem je tečna faza potpuno zamijenjena plinovitom fazom, zbog čega tvar ima rekordno nisku gustoću, samo jedan i pol puta veću od gustine zraka, i niz drugih jedinstvenih kvaliteta: tvrdoća, prozirnost, otpornost na toplinu, izuzetno niska toplinska provodljivost i nedostatak upijanja vode.

Opšti pogled na aerogel

Aerogel je takođe jedinstven po tome što se sastoji od 99,8%... vazduha!

Uobičajeni su aerogelovi na bazi amorfnog silicijum dioksida, glinice i oksida hroma i kositra. Početkom 1990-ih dobijeni su prvi uzorci aerogela na bazi ugljenika.

Aerogel je vrlo neobična kreacija ljudskih ruku, materijal koji je zbog svojih jedinstvenih kvaliteta nagrađen sa 15 pozicija u Ginisovoj knjizi rekorda.

Aerogelovi pripadaju klasi mezoporoznih materijala, u kojima šupljine zauzimaju najmanje 50% zapremine. Struktura aerogela je drvenasta mreža grupisanih nanočestica veličine 2-5 nm i pora veličine do 100 nm.

Na dodir, Aerogelovi podsjećaju na laganu, ali tvrdu pjenu, nešto poput polistirenske pjene. Pod velikim opterećenjem, aerogel puca, ali općenito je vrlo izdržljiv materijal - uzorak aerogela može izdržati opterećenje od 2000 puta veće težine. Aerogelovi, posebno kvarcni, su dobri toplotni izolatori.

Kvarcni aerogelovi su najčešći i također drže trenutni rekord za najmanju gustoću čvrste materije- 1,9 kg/m³, to je 500 puta manje od gustine vode i samo 1,5 puta više od gustine vazduha.

Kvarcni aerogelovi su takođe popularni zbog svoje izuzetno niske toplotne provodljivosti (~0,017 W/(m.K) u vazduhu pri normalnom atmosferski pritisak), manje od toplotne provodljivosti vazduha (0,024 W/(m.K)).

Primjena aerogela

Aerogelovi se koriste u građevinarstvu i industriji kao toplotnoizolacioni i toplotni materijali za toplotnu izolaciju čeličnih cevovoda, razne opreme sa visokim i procesi niske temperature, zgradama i drugim objektima. Može izdržati temperature do 650°C, a sloj debljine 2,5 cm dovoljan je da zaštiti ljudsku ruku od direktnog izlaganja puhaljki.

Tačka topljenja kvarcnog aerogela je 1200°C.

Proizvodnja aerogela

Proces proizvodnje aerogela je složen i radno intenzivan. Prvo, gel se polimerizira pomoću kemijskih reakcija. Ova operacija traje nekoliko dana, a rezultat je žele sličan proizvod. Zatim se voda iz želea uklanja alkoholom. Njegovo potpuno uklanjanje ključ je uspjeha cijelog procesa. Sljedeći korak je “superkritično” sušenje. Proizvodi se u autoklavu na visokom pritisku i temperaturi, koristeći tečni ugljični dioksid.

Primat u pronalasku aerogela priznaje hemičar Steven Kistler sa Pacifičkog koledža u Stocktonu, Kalifornija, SAD, koji je svoje rezultate objavio 1931. godine u časopisu Nature.

Kistler je tečnost u gelu zamenio metanolom, a zatim zagrejao gel pod pritiskom sve dok se ne postigne kritična temperatura metanola (240°C). Metanol je napustio gel bez smanjenja volumena; Shodno tome, gel se „osušio“, gotovo bez skupljanja.

Aerogel je klasa materijala koji je gel u kojem je tečna faza potpuno zamijenjena plinovitom fazom, zbog čega tvar ima rekordno nisku gustoću, samo jedan i pol puta veću od gustine zraka, a niz drugih jedinstvenih kvaliteta: tvrdoća, prozirnost, otpornost na toplotu, izuzetno niska toplotna provodljivost i odsustvo upijanja vode.

Aerogel, kakav je ovo materijal?

(od latinskog aer - zrak i gelatus - smrznuti) - klasa materijala koji su gel u kojem je tečna faza potpuno zamijenjena plinovitom, zbog čega tvar ima rekordno nisku gustoću, samo jednu i upola puta veća od gustine vazduha, i niz drugih jedinstvenih kvaliteta: tvrdoća, prozirnost, otpornost na toplotu, izuzetno niska toplotna provodljivost i nedostatak upijanja vode.

Često aerogel nazvan "zamrznutim dimom" zbog svog izgled. Po izgledu pomalo podsjeća na smrznuti dim. Na dodir aerogel podsjeća na laganu ali tvrdu pjenu, nešto poput polistirenske pjene.

Predstavlja drvo nalik net iz grupisanih nanočestice Veličine 2-5 nm, međusobno kruto povezane. Ovaj okvir zauzima mali dio zapremine od 0,13 do 15%, ostalo su pore.

Aerogelovi pripadaju klasi mezoporoznih materijala.

Aerogelovi su uobičajeni različite prirode: neorganski - na bazi amorfnog silicijum dioksida (SiO 2), glinice (Al 2 O 3), grafena (koji se naziva aerografen), grafita (koji se naziva aerografit), kao i oksida hroma i kositra, i organski - na bazi polisaharida, silikona , ugljenik. U zavisnosti od baze, aerogelovi pokazuju različita svojstva. Međutim, postoje opšta svojstva, karakterističan za čitavu klasu ovog materijala.

Kao toplotni izolator proizvodi se u obliku prostirki i rolni.

Svojstva i prednosti aerogela:

– visoka poroznost. 99,8% se sastoji od vazduha,

– ima rekord za najmanju gustinu čvrstih materija - 1,9 kg/m³, to je 500 puta manje od gustine vode i samo 1,5 puta više od gustine vazduha (kvarcni aerogelovi),

– jedinstveni toplotni izolator. Ima nisku toplotnu provodljivost - λ = 0,013 ~ 0,019 W/(m K) (u vazduhu pri normalnom atmosferskom pritisku) manju od toplotne provodljivosti vazduha (0,024 W/(m K) (kvarcni aerogelovi). Kao izolacija je 2 -5 puta efikasnija od tradicionalnih izolacija,

– tačka topljenja je 1200°C (kvarcni aerogel),

– aerogel je izdržljiv materijal. Može izdržati opterećenje 2000 puta veće od sopstvene težine,

– ima nizak Youngov modul,

– ne kompresuje, otporan je na deformacije, ima visoku vlačnu čvrstoću,

– brzina širenja zvuka ima najveću niska vrijednost Za tvrdi materijal, što je važna prednost prilikom kreiranja materijali za zvučnu izolaciju. Brzina zvuka u njemu je manja od brzine zvuka u gasovima,

– neke vrste aerogela su odlični sorbenti. Oni su 7-10 puta efikasniji od popularnih modernih sorpcionih materijala,

– je stabilna porozna supstanca. Volumen pora unutar aerogela je desetine puta veći od volumena koji zauzima sam materijal. Ova nekretnina omogućava upotrebu aerogela određenog sastava kao katalizatora u hemijskim procesima za proizvodnju organskih jedinjenja. S druge strane, njegov veliki unutrašnji kapacitet može se koristiti za sigurno skladištenje određenih supstanci, kao što su raketno gorivo, oksidator itd.

– odlična hidrofobnost. Ne upija vlagu

– ima visoku otpornost na toplinu i otpornost na toplinu. Ima široku radnu Temperaturni opseg upotreba – od -200 °C do +1000 (1200) °C. Očuva toplotnu izolaciju i mehaničke karakteristike kada se zagrije na najmanje 1000°C,

- je nezapaljivog materijala. Može se koristiti i za zaštitu od požara razni dizajni,

– transparentan (kvarcni aerogel). Ima indeks prelamanja svjetlosti od 1,1 do 1,02. Može se napraviti od različite vrste staklo,

– ima dovoljno visoka tvrdoća,

– izdržljivost,

– ekološki prihvatljivi i sigurni za ljude i životnu sredinu,

– ima veliku specifičnu površinu unutrašnja površina. To je oko 300-1000 m 2 /g,

– hemijski sastav aerogel se može podešavati, u njegov sastav se lako mogu dodati različiti aditivi, što otvara nove mogućnosti za njegovu upotrebu,

– otporan na kiseline, baze, rastvore,

– istovremeno je krhki materijal.

Primena aerogela:

- V naučno istraživanje u oblasti nuklearne fizike,

– za zvučnu izolaciju,

– za toplotnu izolaciju zgrada, objekata, skladišta, hladnjača, naftovoda, cijevi, drugih objekata i opreme,

– za zaštitu od požara,

Aerogel inovacije:

Naučnici su predložili koncept terraformiranje pojedinih regiona planeta : Mars, Mjesec, Venera itd. stvaranjem umjetnih kupola ili ekrani iz sloja