DIY Aerogel zu Hause. Aerogel ist eine ungewöhnliche Schöpfung menschlicher Hände. Aerogel, was ist das für ein Material?

Aerogel - sehr ungewöhnliche Kreation menschliche Hände, ein Material, das für seine einzigartigen Eigenschaften mit 15 Positionen im Guinness-Buch der Rekorde ausgezeichnet wurde. Der Name „Aerogel“ kommt von zwei Lateinische Wörter Luft – Luft und Gelatus – gefroren. Daher wird Aerogel oft als „gefrorener Rauch“ bezeichnet.

Im Aussehen ähnelt das Aerogel jedoch wirklich gefrorenem Rauch. Aerogel ist ein ungewöhnliches Gel, in dem es keine flüssige Phase gibt, sondern vollständig durch eine gasförmige Phase ersetzt wird, wodurch die Substanz eine rekordverdächtige niedrige Dichte aufweist, nur das Eineinhalbfache der Dichte von Luft und eine Reihe anderer einzigartiger Eigenschaften Eigenschaften: Härte, Transparenz, Hitzebeständigkeit usw. Aerogel ist auch deshalb überraschend, weil es zu 99,8 % aus ... Luft besteht!
Die Entstehungsgeschichte von Aerogel ist noch nicht vollständig geklärt. Es ist nur bekannt, dass der amerikanische Wissenschaftler Samuel Kistler es Ende der zwanziger oder dreißiger Jahre des letzten Jahrhunderts am College of the Pacific in Stockton (Kalifornien) als Erster erhielt. Wird in der wissenschaftlichen Forschung, wie es manchmal vorkommt, fast zufällig als Nebenprodukt der Kristallisation von Aminosäuren in überkritischen übersättigten Flüssigkeiten gewonnen. Dem Wissenschaftler gelang die Herstellung eines Aerogels, indem er die Flüssigkeit in einem normalen Gel durch Methanol ersetzte. Anschließend wurde das Gel unter hohem Druck auf 240 Grad (kritische Temperatur für Methanol) erhitzt. Zu diesem Zeitpunkt verließ Methanolgas das Gel, aber das Volumen des dehydrierten Schaums nahm nicht ab. Dadurch entstand ein leichtes, feinporöses Material, später Aerogel genannt. Als offizielles Erscheinungsdatum des neuen Materials gilt das Jahr 1931, der Zeitpunkt der Veröffentlichung eines Artikels darüber in der Zeitschrift Nature. Auch der Ursprung des Begriffs „Aerogel“ ist unbekannt. Es bleibt ein Rätsel, ob Kistler es selbst in unsere Rede eingebracht hat oder den Hinweis seiner Kollegen genutzt hat. Das erste Aerogel wurde von einem Wissenschaftler aus Quarz gewonnen. Anschließend lernten sie, dieses Material aus Metalloxiden herzustellen. organische Substanz und viele andere Ausgangszutaten.
Aerogele sind in ihrer Struktur ein baumartiges Netzwerk aus Partikeln mit einer Größe von 2–5 Nanometern, die zu homogenen Gruppen (Clustern) und luftgefüllten Poren mit einer Größe von bis zu 100 Nanometern zusammengefasst sind. Äußerlich ähnelt Aerogel am ehesten einem transparenten oder durchscheinenden gefrorenen Seifenschaum. Mit bloßem Auge betrachtet erscheint Aerogel als feste, homogene Substanz, was es von porösen Medien wie verschiedenen Schäumen unterscheidet. Außerdem fühlt sich das Aerogel bei Berührung wie gefrorener Schaum an. Dabei handelt es sich um ein ziemlich starkes Material – das Aerogel kann einer Belastung vom 2000-fachen seines Eigengewichts standhalten. Beispielsweise hält ein kleiner Block Aerogel mit einem Gewicht von 2,38 g problemlos einem Ziegelstein mit einem Gewicht von 2,5 kg stand!

Quarzaerogele sind ein sehr guter Wärmeisolator. Der Prozess zur Herstellung von Aerogelen ist komplex und arbeitsintensiv. Erstens: Verwenden chemische Reaktionen, das Gel polymerisiert. Dieser Vorgang dauert mehrere Tage und das Ergebnis ist ein geleeartiges Produkt. Anschließend wird dem Gelee mit Alkohol das Wasser entzogen. Seine vollständige Entfernung ist der Schlüssel zum Erfolg des gesamten Prozesses. Der nächste Schritt ist die „überkritische“ Trocknung. Es wird in einem Autoklaven hergestellt Bluthochdruck und Temperatur wird der Prozess verflüssigt Kohlendioxid Der anwendungsbezogene Einsatz von Quarzaerogel als Dämmstoff begann in den vierziger Jahren des 20. Jahrhunderts. Berühmtes Unternehmen Monsanto hat dieses Produkt im Rahmen einer Lizenzvereinbarung mit Kistler hergestellt. Aufgrund ihrer hohen Kosten waren Aerogel-Wärmeisolatoren jedoch nicht weit verbreitet und die Produktion wurde in den siebziger Jahren eingeschränkt. Erst Ende des letzten Jahrhunderts wurden Aerogele wieder in großem Umfang von der Menschheit eingesetzt, vor allem in der Raumfahrtindustrie das wichtigste Element Array-Catcher, mit dem die Raumsonde Stardust Millionen winziger Partikel aus dem Schweif des Kometen Wild 2 einfing und den Lander mit diesen Proben zur Erde brachte. Unter den verschiedenen von der Sonde eingefangenen Partikeln wurden übrigens Spuren von Glycin gefunden, der wichtigsten Aminosäure für die Proteinbildung. Für Wissenschaftler, die die Theorie des außerirdischen Ursprungs des Lebens teilen, wurde dieser Fund zum indirekten Beweis dafür, dass sie Recht hatten.
Das Aerogel soll als einzigartiger Wärmeisolator in in den USA hergestellten Raumanzügen verwendet werden, die für das Marsprojekt der NASA entwickelt wurden. Die NASA kündigte außerdem die Verwendung von Aerogel als Hitzeschild für neue Shuttle-Modelle an. Auch in der Mikroelektronik sind Aerogele vielversprechend. Vor allem aufgrund der Tatsache, dass sie die niedrigsten Dielektrizitätskonstanten aufweisen. Die Verwendung von Aerogelen als Isolierschichten in Mehrschichtsystemen Leiterplatten wird die Leistungsfähigkeit der Elektronik deutlich steigern. Im Jahr 2007 stellten amerikanische Chemiker die von ihnen entwickelten Aerogele vor, die als Filter zur Reinigung von Wasser dienen können schädliche Verunreinigungen, wie Quecksilber, Blei und andere giftige Schwermetalle. Bisher ist die Produktion dieser Materialien recht begrenzt hoher Preis, Weil Die Filter enthalten Platin, aber wenn ein Ersatz dafür in Form eines günstigeren Analogons gefunden wird, können die neuen Reinigertypen die Gewässer des Planeten von Schwermetallen befreien. Darüber hinaus weisen neue Aerogele Halbleitereigenschaften auf und können daher in Photovoltaikzellen und anderen optoelektronischen Geräten eingesetzt werden.

Quarzaerogel ist, wie bereits erwähnt, ein einzigartiger Wärmeisolator. Es hält Temperaturen von bis zu 500 Grad Celsius stand und eine 2,5 cm dicke Schicht reicht aus, um die menschliche Hand davor zu schützen direkte Auswirkung Lötlampe. Es gibt verschiedene Arten von Aerogelen mit einem Schmelzpunkt von bis zu 1200 °C. Die Eigenschaften von Arogelen hängen weitgehend davon ab Quellenmaterial, aus dem sie hergestellt werden. Es gibt Aerogele aus Aluminiumoxid (mit Zusatz von Aluminiumoxid), Siliziumdioxid sowie Zinn- und Chromoxid. In jüngerer Zeit wurden Aerogele auf Kohlenstoffbasis hergestellt. Als Katalysatoren kommen Aerogele zum Einsatz. Die NASA testet derzeit Aluminiumoxid-Aerogele, die seltene Elemente enthalten – Gadolinium und Terbium. Diese Aerogele werden als Hochgeschwindigkeits-Kollisionsdetektoren verwendet. Einige transparente Aerogelvarianten werden von Wissenschaftlern als Ersatz in Betracht gezogen Fensterglas. Schließlich ist der Brechungsindex von Aerogelen viel niedriger als der von Glas (1,05 gegenüber 1,5). Der Wissenschaft ist es bereits gelungen, die anfängliche Zerbrechlichkeit dieses vielversprechenden Materials zu überwinden; jetzt sind elastische und flexible Aerogele verfügbar. Auf der Tagesordnung steht die Frage, die Produktionskosten auf Grenzen zu senken, die eine Nutzung im großen Maßstab rentabel machen. Aerogele werden oft als das Material des 21. Jahrhunderts bezeichnet. Ob dem so ist, werden wir bald sehen.

Gibt es Materialien, die zu 90 Prozent aus Luft bestehen? Und gleichzeitig fest, wärme- und schalldämmend, elektrisch leitend und in der Regel in mehreren Branchen gleichzeitig einsetzbar? Lesen Sie im nächsten Artikel aus unserer Serie „Fünf Elemente“, der N+1 arbeitet gemeinsam mit NUST MISIS an Aerogelen – mit Luft gefüllten Nanomaterialien.

Eigenschaften von Aerogelen

Das Foto unten zeigt eines der häufigsten Aerogele – hergestellt aus Siliziumdioxid. Aufgrund seines schönen opal-bläulichen Farbtons wird es auch „blauer Rauch“ genannt. Äußerlich sieht dieses Aerogel aus wie ein Stück Eis, tatsächlich ist es jedoch überraschend leicht und hart. Und völlig trocken. Es fühlt sich an wie Schaum, aber nicht wie Gelee oder Eis. Wenn Sie ein Stück solchen „Rauchs“ auf eine harte Oberfläche fallen lassen, springt es wie ein Wasserball und das Geräusch ähnelt dem Klingeln eines gläsernen Christbaumschmucks.

Es gibt am meisten andere Aerogele verschiedene Farben, aber genauso schwerelos. Welche Eigenschaften hat dieses Material? Hier sind die typischsten:

Die meisten Aerogele lassen sich trotz ihrer Härte leicht von Hand brechen. Das heißt, sie sind zerbrechlich, aber hart – einige können das 4000-fache ihres Eigengewichts aushalten, ohne zu brechen.

Der Ziegel wird von einem kurzlebigen Silikatblock getragen

Es wurden jedoch bereits Kunststoff-Aerogele hergestellt, die sich biegen und sogar mit einem Hammer schlagen lassen. Aus genau diesen Materialien sollen Raumanzüge isoliert werden, die im Rahmen einer künftigen Marsexpedition entstehen. Und nicht nur Raumanzüge – Hersteller von Bekleidung und Reiseausrüstung experimentieren bereits aktiv mit solchen Materialien.

Aerogele haben einen weiteren einzigartigen Parameter – das Flächenverhältnis vollflächig Gewicht: bis 3200 Quadratmeter pro Gramm. Das heißt, wenn man sich die gesamte Oberfläche als eine einzige Ebene vorstellt, dann reicht ein Gramm dieses Materials aus, um ein halbes Fußballfeld zu bedecken! Wie kann das sein? Es geht um die Struktur dieses erstaunlichen Materials. Es stellt sich heraus, dass das Aerogel fast ein festes „Donut-Loch“ ist: Ultradünne feste Wände mit einer Dicke von nur wenigen Nanometern (ein Millionstel Millimeter) bilden ein komplexes dreidimensionales Labyrinth aus Poren und Schichten. Die Poren selbst haben eine Größe von mehreren zehn bis hundert Nanometern und sind unter normalen terrestrischen Bedingungen mit Luft gefüllt – sie füllt 90–99 Prozent des Materialvolumens aus. Und zwischendurch lassen sich diese Superschwämme auch wunderbar mit etwas anderem befüllen. Beispielsweise ist bei einem Tankerunglück Öl auf die Meeresoberfläche gelangt. Darüber hinaus eignet sich eine so große Fläche mit einem so geringen Gewicht hervorragend für die Herstellung von Ionistoren – Superkondensatoren mit einer Kapazität von Hunderten und Tausenden von Farad (die Kapazität eines herkömmlichen Kondensators wird normalerweise in Mikrofarad gemessen). Vielleicht werden sie in naher Zukunft klassische Batterien ersetzen. Und vergessen wir nicht die Katalysatoren, denn auch bei ihnen spielt die Oberfläche eine entscheidende Rolle – von ihr hängt die Wirksamkeit des Einflusses des Katalysators auf die chemische Reaktion ab.

Was ist Gel?

Die einzigartigen Eigenschaften von Aerogelen beruhen also vor allem auf ihrer räumlichen Struktur mit winzigen offenen Poren. Natürlich spielt auch das Material der Wände eine Rolle. Es kommt zum Beispiel weitgehend darauf an mechanische Eigenschaften sowie die elektrische Leitfähigkeit eines bestimmten Aerogels.

Doch wie lassen sich in der Praxis solch komplizierte hohle „Blasen“ mit festen Wänden herstellen? Die Antwort liegt im Namen des Materials selbst. Gele sind das Ausgangsmaterial zur Herstellung von Aerogelen. Dieselben Gele, feucht und schwer, wie geliertes Fleisch. Zur Herstellung dieses Nanomaterials eignet sich übrigens auch die bekannte Gelatine. Was ist übrigens ein Gel? Bei Berührung haben wir alle eine gute Vorstellung von dieser Substanz, aber was stellt sie auf der Mikroebene dar? Es stellt sich heraus, dass jedes Gel aus zwei Komponenten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften besteht: einer festen Phase in Form einer kontinuierlichen porösen Raumstruktur, die die gesamte Probe durchdringt, und einer flüssigen Phase, die die Poren füllt. Darüber hinaus beträgt die charakteristische Größe der festen Phase nur einige zehn Nanometer, da die feste Phase in Gelen normalerweise aus Konglomeraten aus Nanopartikeln oder langen Makromolekülen besteht.

Ein typisches Gel kann man sich als einen mit Flüssigkeit getränkten Schaumspülschwamm vorstellen. Lediglich die Poren in einem solchen Schwamm sind Hunderttausende Male kleiner als bei dem in unserer Küche. Was passiert, wenn man einem solchen Schwamm die gesamte Flüssigkeit entzieht? Das Ergebnis ist ein trockener Schwamm mit luftgefüllten Poren. Das ist also Aerogel! Es stellt sich heraus, dass es ausreicht, um dieses Material zu erhalten, einfach ein beliebiges Gel zu trocknen? Leider gibt es keine. Die Praxis zeigt, dass das Gel beim Verdampfen der flüssigen Phase schnell an Volumen abnimmt und am Ende ein kleiner, dichter Klumpen Trockenmasse entsteht und nicht das gewünschte poröse Nanomaterial mit extrem geringer Dichte. Aber warum trocknet ein Schaumschwamm aus, ohne an Volumen zu verlieren, während sich sein Gel-Pendant völlig anders verhält? Und wie geht man damit um?

Tatsächlich liegt der grundlegende Unterschied zwischen unserem Modell mit einem Schwamm und einem echten Gel in der Größe der Poren: Bei einem Schwamm werden sie in Millimetern gemessen, bei Gelen sind es mehrere zehn Nanometer, also der Unterschied etwa fünf Größenordnungen. Stellen wir uns nun vor, wie Flüssigkeit aus Poren verdunstet: Irgendwann füllt die Flüssigkeit sie nicht mehr vollständig aus und es entsteht eine Grenze zwischen der Flüssigkeit und dem mit Luft vermischten Dampf dieser Flüssigkeit. An der Grenze einer Flüssigkeit wirken bekanntlich immer Oberflächenspannungskräfte, die zu einer Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und den Gefäßwänden (in unserem Fall den Wänden der Poren) führen. Wenn die Wände gut benetzt sind, nimmt die Oberfläche der Flüssigkeit eine konkave Form an und es wirkt eine Kraft auf die Wände, die sie in das Gefäß hineinzieht. Die Größe dieser Kraft pro Längeneinheit der Porenwand entlang der Flüssigkeitsgrenze hängt nicht vom Porenradius ab. Aber gleichzeitig sind die Wände dieser Poren im Gel tausendmal dünner als in unserem Schwamm. Es stellt sich heraus, dass die spezifische Kraft, die auf die Wände im Gel und im Schwamm ausgeübt wird, gleich ist, die Dicke dieser Wände und dementsprechend ihre mechanische Festigkeit jedoch völlig unterschiedlich sind. Es ist nicht verwunderlich, dass die Poren des Schwamms dem Trocknen der sie füllenden Flüssigkeit standhalten können, die Poren des Gels jedoch nicht. Daher das „Schrumpfen“ des Gels beim Trocknen – die Oberfläche der Flüssigkeit in den Poren bricht beim Verdunsten einfach die fragilen Wände nacheinander auf, und als Ergebnis erhalten wir einen trockenen, klebrigen Klumpen gebrochener Wände und keine durchbrochene Struktur charakteristisch für Aerogele.

So trocknet man das Gel

Wie kann man Flüssigkeit aus den empfindlichen Poren des Gels entfernen, ohne dessen Struktur zu zerstören? Die Lösung wurde bereits 1931 vom amerikanischen Wissenschaftler Samuel Stephens Kistler gefunden. Berichten zufolge wettete er mit seinem Kollegen, dass er der Erste sein könnte, der diese heikle Operation durchführte, und gewann die Wette. Kistlers Idee bestand darin, die Oberfläche der Flüssigkeit und die damit verbundenen Spannungskräfte zu beseitigen, da sie die Ursache aller Störungen ist. Stellen wir uns vor, wir hätten einen verschlossenen Glaskolben, der zur Hälfte mit Flüssigkeit gefüllt ist. Durch die transparenten Wände sehen wir die Grenze zwischen Flüssigkeit und Gas darüber. Beginnen wir nun mit dem Erhitzen des Kolbens. Die Flüssigkeit im Inneren verdunstet, wodurch sich die Menge und der Druck des Dampfes über der Oberfläche erhöhen. Und natürlich auch die Temperatur dieses Dampfes. Wenn Sie das Erhitzen lange genug fortsetzen, erreichen Druck und Temperatur im Kolben zu einem bestimmten Zeitpunkt ein solches Niveau, dass die Dichte des Dampfes der Dichte der Flüssigkeit entspricht und die Grenze zwischen ihnen einfach verschwindet . Und der Dampf und die Flüssigkeit selbst verlieren die uns bekannten Eigenschaften (z. B. wird die Flüssigkeit komprimierbar) und werden zu einem untrennbaren Ganzen. Zusammen mit der Phasengrenzfläche verschwinden auch die Oberflächenspannungskräfte. Solche Temperaturen und Drücke, bei denen sich Dampf nicht mehr von Flüssigkeit und Flüssigkeit von Dampf unterscheidet, nennt man in der Thermodynamik kritisch und werden dargestellt als kritischer Punkt zum Phasendiagramm:

Für Wasser liegen die kritische Temperatur und der kritische Druck bei 374 Grad Celsius bzw. 218 Atmosphären. Das heißt, wenn wir den Druck in der Kammer mit einem Gel auf Wasserbasis auf 218 Atmosphären oder mehr erhöhen und dann die Temperatur über 374 Grad Celsius erhöhen, verschwindet jeglicher Unterschied zwischen Dampf und Wasser – wir erhalten das sogenannte superkritische Flüssigkeit. In jeder Pore des Gels befindet sich sehr dichter Dampf oder Wasser, was unter solchen Bedingungen im Wesentlichen dasselbe ist. Wenn wir nun beginnen, den Druck auf den kritischen Wert und darunter zu senken und gleichzeitig die Temperatur über dem kritischen Wert zu halten, beginnt dieser dichte Dampf allmählich das Gel zu verlassen, ohne dass es zu Kondensation kommt. Dann können Sie damit beginnen, die Temperatur zu senken, bis der verbleibende Dampf das Gel verlässt und es sich in das trockene, mit Luft gefüllte Aerogel verwandelt, das wir brauchen. Der beschriebene Vorgang wird aufgerufen überkritische Trocknung und wird mit einem roten Pfeil angezeigt.

Da nach diesem Szenario bei der Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf keine Grenzfläche zwischen flüssigem und gasförmigem Medium entsteht, entstehen in den Poren keine Oberflächenspannungskräfte und diese bleiben während des Trocknungsprozesses erhalten. Der grüne Pfeil zeigt das Trocknungsszenario an, bei dem sich Flüssigkeit in Dampf verwandelt in gewohnter Weise. In diesem Fall haben wir die gleichzeitige Existenz von zwei Phasenzustände, Grenzfläche und dementsprechend Zerstörung der Gelstruktur. Der blaue Pfeil zeigt, dass auch ein dritter Weg möglich ist, der Gefriertrocknung genannt wird. In diesem Szenario wird zunächst die Flüssigkeit in die Poren übertragen fester Zustand durch Einfrieren und anschließende Umwandlung der festen Phase unter vermindertem Druck in eine gasförmige Phase unter Umgehung der flüssigen Phase (und der damit verbundenen Probleme mit der Oberflächenspannung). In der Praxis ermöglicht diese Option tatsächlich die Gewinnung einiger Arten von Aerogelen.

IN wahres Leben Die direkte Verwendung wasserbasierter Gele zur Herstellung von Aerogelen ist aufgrund der hohen kritischen Temperatur und des hohen Drucks von Wasser sehr umständlich. Deshalb wird vor Beginn der Trocknung in der Regel die ursprüngliche flüssige Komponente des Gels durch eine hinsichtlich des kritischen Punktes besser geeignete Komponente ersetzt. Ein solcher Substituent kann beispielsweise Methylalkohol sein (kritische Temperatur – 250 Grad Celsius, kritischer Druck – 77 Atmosphären). Es waren Alkohole, die Kistler nutzte, um Aerogele mit Wänden aus Nicht-Kohlendioxid herzustellen. organische Verbindungen. Für organische Stoffe empfahl er verflüssigtes Propan als flüssige Komponente des Gels während der überkritischen Trocknung. Außerdem kommen Aceton und verflüssigtes Kohlendioxid zum Einsatz. Generell gibt es heute eine ganze Reihe von „Rezepten“ für die Herstellung von Aerogelen. Im Internet finden Sie sogar Empfehlungen für die Zubereitung zu Hause.

In Russland beschäftigen sich mehrere wissenschaftliche Zentren mit der Erforschung von Aerogelen, darunter das Zentrum für Verbundwerkstoffe am NUST MISIS. Der Forscher des Zentrums und Kandidat der physikalischen und mathematischen Wissenschaften Fedor Senatov äußerte sich zu den technologischen Möglichkeiten der Nutzung des überkritischen Zustands der Materie wie folgt: „Interessant und nützliche Funktion Substanzen in einem überkritischen Zustand (flüssig) besteht darin, dass es mit ihrer Hilfe nicht nur möglich ist, Porosität im Gel zu bilden, sondern auch das Material selbst zu modifizieren und unnötige Verunreinigungen daraus zu entfernen. Beispielsweise kann man einen medizinischen Wirkstoff in einer überkritischen Flüssigkeit auflösen und ein Polymergel mit dieser Flüssigkeit behandeln. Wenn die Flüssigkeit in das Gel eindringt, bringt sie das Arzneimittel mit, das im Polymer verbleibt, nachdem der Druck verringert wurde und die Flüssigkeit austritt. Dadurch entsteht ein Aerogel, das in der Medizin zur Ultrafiltration biologischer Flüssigkeiten bei gleichzeitiger medizinischer Wirkung eingesetzt werden kann.

Mit der gleichen Methode können Sie unnötige Verunreinigungen aus dem Material entfernen. Diese in der Literatur als überkritische Fluidextraktion (SFE) bezeichnete Methode wird seit geraumer Zeit sowohl in der Medizin als auch in der Medizin eingesetzt Laborforschung, und in industrielle Produktion. Das häufigste Beispiel für die Extraktion überkritischer Flüssigkeiten ist die Verwendung von scCO2 zur Entkoffeinierung von Kaffee. Jährlich werden weltweit mehr als einhunderttausend Tonnen entkoffeinierter Kaffee mit scCO 2 hergestellt.“

Metalloxide. Entsprechende Aerogele werden häufig zur Herstellung von Katalysatoren eingesetzt. Sie enthalten meist Aluminiumoxid unter Zusatz von Nickel. Die NASA verwendet Aluminium-Aerogel mit Zusatz von Gadolinium und Terbium, um kosmische Teilchen mit ultrahoher Energie aufzuspüren. Tatsache ist, dass diese Aerogele beim Eindringen solcher Partikel fluoreszieren und so erfasst werden können. Darüber hinaus hängt die Strahlungsleistung von der Energie des Teilchens ab. Die Farbe von Metalloxid-Aerogelen variiert stark.

Organische Polymere. Zum Beispiel ein Aerogel aus Agar-Agar, das auch Fruchtgelee zugesetzt wird. Ein weiteres organisches Material, Zellulose, wird zur Herstellung flexibler Aerogele verwendet.

Chalkogene. Zu dieser Gruppe gehören: Schwefel, Selen, Tellur usw.

Cadmiumselenid . Aus diesem Material hergestelltes Aerogel hat Halbleitereigenschaften.

Darüber hinaus können die Eigenschaften von Aerogelen weiter modifiziert werden, indem verschiedene modifizierende Additive in die Zusammensetzung der festen Phase eingebracht werden.

Derzeit gibt es Hauptindustriesegmente, in denen Aerogele ihre Anwendung gefunden haben:

Sergej Petrow

Wenn die Energiekosten steigen, steigt die Notwendigkeit, diese effizienter zu nutzen. Es wird geschätzt, dass 40 % der von uns verbrauchten Energie für die Beheizung unserer Häuser aufgewendet wird. Mehr als 30 % dieser Energie gehen durch Wände (im Bauwesen). dieser Prozess sogenannte Wärmebrücke).

Basierend auf der von der NASA entwickelten Technologie, der am stärksten isolierenden Technologie vorhandene Materialien Die Marke Thermablok hat ein erstaunliches Produkt geschaffen, das in der Bauindustrie nachgefragt werden kann. Aufgrund seiner fragilen Struktur war es schwierig, Aerogel, auch „gefrorener Rauch“ genannt, für eine breite Anwendung zu adaptieren. Das patentierte Material von Thermablok enthält jedoch einzigartige Fasern, die es ihm ermöglichen, sich zu biegen und zu komprimieren und gleichzeitig seine erstaunlichen Isoliereigenschaften beizubehalten.

Laut Wissenschaftlern des Oak Ridge Laboratory des US-Energieministeriums erhöht nur ein Streifen Aerogel (6,25 mm x 38 mm), der entlang jedes Profils aufgetragen wird, bevor eine Wand mit Gipskartonplatten ummantelt wird, die Isolierfähigkeit von Wänden um mehr als 40 %.

Das Thermablok-Material wurde vom Forschungsunternehmen Acoustiblok(R) entwickelt. Mark Nothstein, der die Forschung leitete, sagte: „Feststoffe sind natürlich bessere Wärmeleiter als Luft oder Vakuum. So kann in der Wand auf Holz-bzw Metallprofile Es sind die Profile, die an der Wärmeübertragung beteiligt sind und die beiden Seiten der Wand mechanisch verbinden. Die thermische Analyse zeigt, dass es sich bei den Profilen um Leitungspunkte handelt. Da Thermablok(TM)-Aerogel zu 95 % aus Luft besteht und sich zwischen Profil und Trockenbauwand befindet, verhindert es mechanischen Kontakt (Wärmebrücke).

Die NASA entwickelt seit mehreren Jahren Aerogel-Isolierungstechnologie und nutzt sie in Raumfähren, Raumanzügen und anderen fortschrittlichen Anwendungen, einschließlich der neuesten Mission zum Mars. Diese Technologie ist ein potenzieller Durchbruch auf diesem Gebiet rationelle Nutzung Energie und Bau energieeffizienter Gebäude.

Der Präsident und Gründer von Acoustiblok, Lachni Johnson, ist inspiriert, ein neues Produkt zu entwickeln, das eine Erweiterung des bereits etablierten umweltfreundlichen Acoustiblok-Produkts des Unternehmens darstellt. Johnson ist stolz darauf, dass sein Unternehmen Produkte herstellt, die nicht nur umweltfreundlich, sondern auch energieeffizient sind. „Die Einsatzmöglichkeiten des Materials sind endlos“, sagt er, „sowohl im traditionellen Bauwesen als auch zum Schutz.“ Privatsphäre aufgrund seiner akustischen Eigenschaften.“

Vorteile des Thermablok-Materials:

• senkt die Energiekosten,
• völlig unterworfen Wiederverwendung,
• enthält keine Stoffe, die die Ozonschicht zerstören,
• mehr als 30 % aus recycelten Materialien hergestellt,
• Verbundwerkstoff, mehr als 95 % bestehend aus Luft,
• wasserabweisend, unempfindlich gegen Feuchtigkeit, Schimmel oder Wasser,
• einfach zu kleben,
• Im Brandfall lässt es sich leicht mit Wasser löschen,
• wirtschaftlich,
• wiegt praktisch nichts und erfordert keine großen Transportkosten,
• fördert die Schalldämmung,
• langlebig, da es nicht mit Luftfeuchtigkeit reagiert,
• hergestellt in den USA.

Aerogele (von lat. aer- Luft und gelatus- gefroren) - eine Klasse von Materialien, bei denen es sich um ein Gel handelt, bei dem die flüssige Phase vollständig durch eine gasförmige Phase ersetzt wird, wodurch die Substanz eine rekordniedrige Dichte aufweist, nur das Eineinhalbfache der Dichte von Luft, und eine Reihe weiterer einzigartiger Eigenschaften: Härte, Transparenz, Hitzebeständigkeit, extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit und fehlende Wasseraufnahme.

Gesamtansicht des Aerogels

Aerogel ist auch insofern einzigartig, als es zu 99,8 % aus ... Luft besteht!

Üblich sind Aerogele auf Basis von amorphem Siliziumdioxid, Aluminiumoxid sowie Chrom- und Zinnoxiden. Anfang der 1990er Jahre wurden die ersten Proben von Aerogel auf Kohlenstoffbasis gewonnen.

Aerogel ist eine sehr ungewöhnliche Schöpfung menschlicher Hände, ein Material, das für seine einzigartigen Eigenschaften mit 15 Positionen im Guinness-Buch der Rekorde ausgezeichnet wurde.

Aerogele gehören zur Klasse der mesoporösen Materialien, in denen Hohlräume mindestens 50 % des Volumens einnehmen. Die Struktur von Aerogelen ist ein baumartiges Netzwerk aus geclusterten Nanopartikeln mit einer Größe von 2–5 nm und Poren mit einer Größe von bis zu 100 nm.

Bei Berührung ähneln Aerogele einem leichten, aber harten Schaum, etwa Polystyrolschaum. Bei starker Belastung reißt das Aerogel, aber im Allgemeinen ist es ein sehr haltbares Material – eine Aerogelprobe kann einer Belastung vom 2000-fachen ihres Eigengewichts standhalten. Aerogele, insbesondere Quarzgele, sind gute Wärmeisolatoren.

Quarz-Aerogele sind am häufigsten und halten derzeit auch den Rekord für die niedrigste Dichte Feststoffe- 1,9 kg/m³, das ist 500-mal weniger als die Dichte von Wasser und nur 1,5-mal mehr als die Dichte von Luft.

Quarz-Aerogele sind auch aufgrund ihrer extrem geringen Wärmeleitfähigkeit (~0,017 W/(m.K) in Luft bei Normalzustand) beliebt Luftdruck), geringer als die Wärmeleitfähigkeit von Luft (0,024 W/(m.K)).

Anwendung von Aerogel

Aerogele werden im Baugewerbe und in der Industrie als wärmeisolierende und wärmespeichernde Materialien zur Wärmedämmung von Stahlrohrleitungen, verschiedenen Geräten mit hoher und hoher Temperatur eingesetzt Niedertemperaturprozesse, Gebäude und andere Objekte. Es hält Temperaturen von bis zu 650 °C stand und eine 2,5 cm dicke Schicht reicht aus, um die menschliche Hand vor direkter Einwirkung einer Lötlampe zu schützen.

Der Schmelzpunkt von Quarz-Aerogel liegt bei 1200°C.

Aerogel-Produktion

Der Prozess zur Herstellung von Aerogelen ist komplex und arbeitsintensiv. Zunächst polymerisiert das Gel durch chemische Reaktionen. Dieser Vorgang dauert mehrere Tage und das Ergebnis ist ein geleeartiges Produkt. Anschließend wird dem Gelee mit Alkohol das Wasser entzogen. Seine vollständige Entfernung ist der Schlüssel zum Erfolg des gesamten Prozesses. Der nächste Schritt ist die „überkritische“ Trocknung. Es wird in einem Autoklaven bei hohem Druck und hoher Temperatur unter Verwendung von verflüssigtem Kohlendioxid hergestellt.

Der Vorrang bei der Erfindung des Aerogels wird vom Chemiker Steven Kistler vom College of the Pacific in Stockton, Kalifornien, USA, anerkannt, der seine Ergebnisse 1931 in der Zeitschrift Nature veröffentlichte.

Kistler ersetzte die Flüssigkeit im Gel durch Methanol und erhitzte das Gel dann unter Druck, bis die kritische Temperatur von Methanol (240 °C) erreicht war. Methanol verließ das Gel ohne Volumenabnahme; Dementsprechend „trocknete“ das Gel fast ohne zu schrumpfen.

Aerogel ist eine Materialklasse, bei der es sich um ein Gel handelt, bei dem die flüssige Phase vollständig durch eine gasförmige Phase ersetzt wird, wodurch die Substanz eine rekordniedrige Dichte aufweist, die nur eineinhalb Mal höher als die Dichte von Luft ist eine Reihe weiterer einzigartiger Eigenschaften: Härte, Transparenz, Hitzebeständigkeit, extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit und keine Wasseraufnahme.

Aerogel, was ist das für ein Material?

(von lateinisch aer – Luft und gelatus – gefroren) – eine Klasse von Materialien, bei denen es sich um ein Gel handelt, bei dem die flüssige Phase vollständig durch eine gasförmige Phase ersetzt wird, wodurch die Substanz eine rekordverdächtige niedrige Dichte aufweist, nur eins und ein Halbfache Dichte von Luft und eine Reihe weiterer einzigartiger Eigenschaften: Härte, Transparenz, Hitzebeständigkeit, extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit und mangelnde Wasseraufnahme.

Oft Aerogel wegen seiner Eigenschaften „gefrorener Rauch“ genannt Aussehen. Im Aussehen ähnelt es ein wenig gefrorenem Rauch. Zum Anfassen Aerogelähnelt einem leichten, aber harten Schaum, so etwas wie Polystyrolschaum.

Stellt ein baumartiges dar Netz von geclustert Nanopartikel 2-5 nm groß, fest miteinander verbunden. Dieser Rahmen nimmt einen kleinen Teil des Volumens von 0,13 bis 15 % ein, der Rest sind Poren.

Aerogele gehören zur Klasse der mesoporösen Materialien.

Aerogele sind weit verbreitet unterschiedlicher Natur: sowohl anorganisch – basierend auf amorphem Siliziumdioxid (SiO 2), Aluminiumoxid (Al 2 O 3), Graphen (genannt Aerographen), Graphit (genannt Aerographit) sowie Chrom- und Zinnoxiden, als auch organisch – basierend auf Polysacchariden, Silikon , Kohlenstoff. Je nach Basis weisen Aerogele unterschiedliche Eigenschaften auf. Es gibt jedoch welche allgemeine Eigenschaften, charakteristisch für die gesamte Klasse dieses Materials.

Als Wärmeisolator wird es in Form von Matten und Rollen hergestellt.

Eigenschaften und Vorteile von Aerogel:

– hohe Porosität. 99,8 % bestehen aus Luft,

– hat einen Rekord für die niedrigste Dichte von Feststoffen – 1,9 kg/m³, das ist 500-mal weniger als die Dichte von Wasser und nur 1,5-mal mehr als die Dichte von Luft (Quarz-Aerogele),

– ein einzigartiger Wärmeisolator. Es hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit – λ = 0,013 ~ 0,019 W/(m K) (in Luft bei normalem Atmosphärendruck) weniger als die Wärmeleitfähigkeit von Luft (0,024 W/(m K) (Quarz-Aerogele). Als Isolierung beträgt es 2 -5-mal wirksamer als herkömmliche Isolierungen,

– Schmelzpunkt ist 1200°C (Quarz-Aerogel),

– Aerogel ist langlebiges Material. Es hält einer Belastung des 2000-fachen seines Eigengewichts stand,

– hat einen niedrigen Elastizitätsmodul,

– komprimiert nicht, ist verformungsbeständig, weist eine hohe Zugfestigkeit auf,

– Die Sist am höchsten niedriger Wert Für hartes Material, was beim Erstellen ein wichtiger Vorteil ist Schallschutzmaterialien. Die Schallgeschwindigkeit darin ist geringer als die Schallgeschwindigkeit in Gasen,

– Einige Arten von Aerogelen sind hervorragende Sorptionsmittel. Sie sind 7–10 Mal wirksamer als gängige moderne Sorptionsmaterialien.

– ist eine stabile poröse Substanz. Das Porenvolumen im Inneren des Aerogels ist um ein Vielfaches größer als das vom Material selbst eingenommene Volumen. Diese Liegenschaft ermöglicht die Verwendung von Aerogel einer bestimmten Zusammensetzung als Katalysator in chemischen Prozessen zur Herstellung organischer Verbindungen. Andererseits kann sein großes Innenvolumen zur sicheren Lagerung bestimmter Substanzen wie Raketentreibstoff, Oxidationsmittel usw. genutzt werden.

– ausgezeichnete Hydrophobie. Nimmt keine Feuchtigkeit auf

– hat eine hohe Hitzebeständigkeit und Hitzebeständigkeit. Hat eine breite Arbeitsfläche Temperaturbereich Einsatzbereich – von -200 °C bis +1000 (1200) °C. Bewahrt die Wärmedämmung und mechanische Eigenschaften wenn es auf mindestens 1000°C erhitzt wird,

- Ist nicht brennbares Material. Kann auch zum Brandschutz verwendet werden verschiedene Designs,

– transparent (Quarz-Aerogel). Es hat einen Lichtbrechungsindex von 1,1 bis 1,02. Es kann daraus hergestellt werden Verschiedene Arten Glas,

– hat genug hohe Härte,

– Haltbarkeit,

– umweltfreundlich und sicher für Mensch und Umwelt,

– hat ein großes spezifisches Gebiet Innenfläche. Es beträgt etwa 300-1000 m 2 /g,

– chemische Zusammensetzung Aerogel kann angepasst werden, seiner Zusammensetzung können problemlos verschiedene Zusatzstoffe hinzugefügt werden, was neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet,

– beständig gegen Säuren, Laugen, Lösungen,

– gleichzeitig ist es ein fragiles Material.

Anwendung von Aerogel:

- V wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet der Kernphysik,

– zur Schalldämmung,

– zur Wärmedämmung von Gebäuden, Bauwerken, Lagerhallen, Kühlschränken, Ölpipelines, Rohren, anderen Gegenständen und Geräten,

– zum Brandschutz,

Aerogel-Innovationen:

Wissenschaftler haben ein Konzept vorgeschlagen Terraforming einzelner Planetenregionen : Mars, Mond, Venus usw. durch die Schaffung künstlicher Kuppeln oder Bildschirme aus der Schicht