Мы все привыкли считать, что есть три «агрегатных состояния вещества»: твердое, жидкое и газообразное. Так нас учили в школе. Однако, перманентная научно-техническая революция все чаще выводит нас за рамки привычных, классических представлений. Может ли твердое тело быть легче воздуха?.. Встречайте: аэрогель!

Отпраздновав (или оплакав – в зависимости от политических пристрастий) двадцатилетие августовского путча 1991 года, закончившегося развалом СССР и сменой исторических эпох, посмотрим на прошедшие 20 лет с нашей специфично-научной точки зрения. Говорят, история не любит сослагательного наклонения, но попробуем все же представить, что стало бы с СССР, если бы двадцать лет после революции 1917 года отечественная наука пребывала в таком же параличе?
 

Да, много воды утекло в Лету за те 20 лет. В 1917 году танки и самолеты, решившие исход Второй мировой, были забавными и неуклюжими игрушками, а эксперименты с радиоактивностью были интересны скорее с философской точки зрения. В 1937 году возможность создания атомной бомбы была уже доказана и стала делом недалекого будущего. Не возьмись большевики за книги после Гражданской, в сорок первом их конницу раскатали бы в блины гусеницами, — не говоря уже о сорок пятом с его Хиросимой.

Прогресс не замедлился с тех пор. Нет, он значительно ускорился. В качестве примера-доказательства: экспоненциальный рост быстродействия компьютеров может быть обусловлен только быстрым развитием многих других отраслей техники, — другого объяснения и придумать нельзя. И вот уже технологии, бывшие 20 лет назад забавной игрушкой, готовы решать исход сражений на полях Третьей мировой. И среди них не на последнем месте – аэрогели, “The next BIG THING” – по выражению Fortune.

Аэрогели – это широкий класс пористых материалов, обладающих фантастическим спектром исключительных характеристик, многие из которых – на уровне мировых рекордов. Наиболее замечательна в них экстремально низкая плотность, которая может быть в сотни раз ниже плотности воды и колеблется в пределах от 0.0011 (!) до 0.5 г/см3. В действительности, самые легкие из когда-либо созданных твердых материалов – это аэрогели, причем некоторые виды всего лишь в несколько раз тяжелее воздуха, и могут быть сделаны легче его, если из их пор откачать содержащийся там воздух.

Обычно же плотность аэрогелей составляет около 0.02 г/см3 и выше (это в 15 раз больше плотности воздуха). Но даже в этом случае фигура человека в натуральную величину, сделанная из аэрогеля, весила бы всего 1.5 кг!

Аэрогель – это сухой материал, в отличие от «обычных» гелей таких, например, как желатиновый десерт. Слово «аэрогель» на деле говорит лишь о том, что аэрогель был получен из геля. По существу, аэрогель представляет собой сухую, легкую, пористую структуру, оставшуюся нетронутой после того, как из геля была удалена жидкая компонента. Поры аэрогеля – открыты (то есть газ не замкнут внутри твердотельных полостей), и имеют размеры от 1 до 100 нанометров (нм, миллиардные доли метра) в диаметре, по большей части менее 20 нм. В типичном аэрогеле 95-98% объема занято воздухом (или другим газом), причем для наименее плотных аэрогелей эта цифра достигает 99.98%.

Термин «аэрогель» относится не к какому-либо химическому веществу, а к самой структуре (как «пластик»), из чего следует, очевидно, что существует большое разнообразие аэрогелей, состоящих из разных веществ от классического оксида кремния и солей разных металлов до органических полимеров и углеродных нанотрубок. По строгому определению, аэрогель является мезопористым матералом, — это означает, что поры в нем имеют размер от 2 до 50 нм. Впрочем, на практике, хотя большая часть из них действительно попадает в этот диапазон, аэрогель отличается и микропористостью (поры менее 2 нм в диаметре).

Кроме рекордно низкой плотности (0.0011 г/см3), многие аэрогели обладают комбинацией впечатляющих качеств, которыми ни один другой материал не обладает одновременно. Отдельные виды аэрогелей прочно удерживают мировые рекорды: наименьшей теплопроводности (0.016 Вт/м∙К); наибольшей удельной поверхности среди монолитных (не порошкообразных) материалов (до 3200 см2/г); нижайших скорости звука (70 м/с), среднего пути свободного пробега для диффузии,  диэлектрической постоянной (1.008 для 3-40 ГГц) и коэффициента рефракции (1.002) для твердых тел. Площадь внутренней поверхности пор кусочка аэрогеля величиной с небольшой камешек равна площади футбольного поля: обычно удельная поверхность колеблется для аэрогелей в пределах от 100 до 1000 м2/г.

Наиболее эффектно смотрится аэрогель, как теплоизолятор: на слой аэрогеля толщиной в несколько миллиметров, установленный прямо над пламенем газовой горелки, можно без опаски положить руку.

Конечно, большая часть аэрогелей не обладает рекордными свойствами, но многие из них обладают очень хорошими значениями многих параметров одновременно.

Впервые аэрогель был получен Стивеном Кистлером в 1931, как результат пари с Чарльзом Ленардом: «кто сможет заменить жидкость в желе на газ так, чтобы не произошло “съеживания”». Удалось это Кистлеру благодаря тому, что любая жидкость обладает критической температурой, выше которой она не может уже оставаться в жидком состоянии и переходит в газообразное. Он нагревал гели в специальной камере под давлением до температур, превышающих критическую. При этом твердая фаза геля, придающая ему форму, не теряет своей структуры, как это происходит при обычном испарении.

Долгое время из-за своей дороговизны аэрогель не находил широкого применения, и оставался скорее научным курьезом. Затем, в 80-е годы ему нашлось применение в качестве ловушки для так называемых черенковских частиц. Черенковское излучение – это электромагнитный аналог ударной волны, создаваемой сверхзвуковым самолетом. Когда самолет летит со скоростью выше скорости звука, образуется ударная волна, которая имеет вид конуса с вершиной на носу самолета. Угол, на который развернут этот конус, зависит от скорости самолета. Если элементарная частица движется быстрее скорости света, то и она создает  вокруг себя такой конус – фронт электромагнитной волны, наклон которого тоже зависит от скорости частицы. Конечно, в вакууме это невозможно, так как скорость света в вакууме – наибольшая из возможных и не достижима для частиц, обладающих массой. Но в веществе скорость света становится меньше, и у элементарных частиц есть возможность его обогнать.

В 90-е годы пористость аэрогеля начали использовать для улавливания кометной пыли – проект Stardust. Да, в прошлом тысячелетии применение аэрогеля было не менее экзотично, чем он сам.

Наконец, 2000-е ознаменованы широкой коммерциализацией аэрогелей, которую начала и возглавила фирма Aspen Aerogel, сотрудничающая с NASA. Случилось это благодаря заказам NASA, сподвигшим ученых найти способ упростить производство аэрогеля (удешевив при этом в десять раз) и наладить его выпуск в виде хорошо гнущихся пластов «ткани». Сейчас аэрогель можно заказать он-лайн. Он используется не только для нужд NASA (теплоизоляция скафандров, космических кораблей и кислородных цистерн), но и для вполне приземленных целей: теплоизоляция газо- и нефтепроводов, в одежде и обуви, — и способен найти свое место везде, где нужна качественная теплоизоляция. Ведь по своим теплоизолирующим свойствам он в несколько раз превосходит своих ближайших соперников.

Нанотехнологический бум конца 90-х и 2000-х многократно усилил интерес к этому наноматериалу и привел к появлению множества новых видов аэрогеля из разных веществ: прозрачных (без свойственного «классическому» аэрогелю голубоватого оттенка, возникающего, как и в атмосфере Земли, из-за рассеяния света на сверхмелких частицах), разноцветных, эластичных, прочных.

Путем внесения изменений в процесс изготовления, можно широко менять свойства аэрогеля. К примеру, плотность можно изменить, просто сделав исходный гель более, либо менее густым. Теплопроводность при этом также изменяется, так как она сильно зависит от плотности материала. Другие качества, такие как прозрачность, цвет, механическая прочность, смачиваемость и т. п. в первую очередь зависят от состава исходного геля. К примеру, низкоплотные неорганические аэрогели одновременно являются прекрасными диэлектриками и теплоизолирующими материалами, в то время как большая часть углеродных аэрогелей будучи теплоизоляторами, одновременно являются проводниками.

Одну из разновидностей аэрогеля, по слухам, созданную по заказу NASA для нужд «звездых войн» из водорослей, – SEAgel можно даже есть!

 

Огромная внутренняя поверхность пор аэрогеля создает огромное поле его возможных применений в химии (катализаторы, фильтры), физике (конденсаторы большой емкости) и в любой другой области науки и техники. Сейчас нам очень трудно даже представить себе, как новые виды аэрогеля могут изменить мир, в котором мы живем. В сети можно найти open-source ресурсы, призванные помочь всем желающим включиться в исследования этой новой быстрорастущей отрасли. При небольших усилиях каждый может научиться делать аэрогель у себя в гараже!

Но есть ли нужда говорить о том, что одной из основных областей применения аэрогелей остается военное дело? Для чего они там используется? – вам этого не скажут…

Да, сдача площадей НИИ в аренду под офисы, казавшаяся удачным коммерческим решением, имеет и свою оборотную сторону. Во многих московских школах (в провинции, понятно, не лучше) наши дети учат физику по учебникам образца 1991 г., а среди заданий ЕГЭ нет таких, которых не мог бы решить выпускник советской школы. В Советском Союзе были в моде анекдоты, и, отмечая круглую годовщину кончины СССР, стряхнем пыль с одного из них. На ВАЗ (или еще какой угодно другой отечественный завод) приехали японские коллеги. Походили, понаблюдали, и на вопрос встречающей стороны «на сколько лет мы от вас отстали?», ответили: «Вы отстали навсегда».

GD Star Rating
loading...
Аэрогель: самый легкий материал, наводящий на тяжелые мысли, 10.0 out of 10 based on 1 rating

Добавить комментарий