Блог вчителя фізики → Статті → Аерогель: речовина легше повітря

Аерогель: речовина легше повітря

Аерогель: речовина легше повітря
Статті
239
0
У березні 2013 року численні технічні ЗМІ опублікували сенсаційну новину: вчені з Чжецзянського університету в Ханчжоу отримали найлегша матеріал в світі - аерогель на основі графену, кубічний сантиметр якого важить всього 0,16 мг. Але це ж в сім з половиною разів легший за повітря! Тут явно якийсь підступ - чи може тверда речовина однорідної структури бути настільки легким?

Аерогель - це дивний, дуже дивний матеріал. У нього немає практично жодного властивості, в яке можна відразу, без доказів повірити. Лише потримавши брусок аерогеля в руках або хоча б подивившись відеозапису, де це робить будь-хто інший, починаєш розуміти: схоже, це правда. Будучи твердим матеріалом, він на 99,8% складається з повітря і при цьому здатний витримувати вагу, що перевищує його власний в 4000 разів (!), Що говорить про нелюдську міцності.

Аерогелі вогнетривкі, повітропроникні, здатні вбирати воду або масло, можуть - в залежності від матеріалу виготовлення - служити електричним провідником або не менш ефективним ізоляційним матеріалом. Проте, не дивлячись на те що винайшли аерогель майже сто років тому, сфера його застосування на даний момент обмежена. В першу чергу це пов'язано з дуже високою ціною.

Структуру аерогеля іноді алегорично називають «перловою ниткою». Як випливає з ілюстрації, порівняння досить точне.

Собівартість вихідних матеріалів для аерогеля становить близько $ 1000 за кубічний сантиметр, і це не рахуючи серйозних тимчасових витрат. А час, як відомо, це найдорожчий ресурс. Так чи інакше, на сьогоднішній день аерогель значно дорожче золота. Другий недолік - надмірно мала пластичність, тобто аерогелі дуже тендітні. Вони витримають тиск, але не удар.

Аерогель на кухні?

В принципі, виготовити аерогель в домашніх умовах можна. Але це буде дуже дорого, складно, і з високою часткою ймовірності результат виявиться дещо відмінним від очікувань. «Вихідні тексти» служить гель - матеріал (а точніше, дисперсна система), що складається з двох компонентів - макромолекулярной сітки і низькомолекулярного розчинника, що заповнює пори сітки. «Наповнювачем» може служити вода, спирт, вуглеводні, а структурою - діоксид кремнію, оксид алюмінію, желатин і т. Д. У аерогелі же рідкий наповнювач замінюється повітрям, і виходить пориста структура.

Перший аерогель був отриманий з так званого алкогеля - силікагелю (структури, утвореної розчинами кремнієвих кислот), пори якого були заповнені спиртом. Здавалося б, що може бути простіше, достатньо витягти рідку складову і замінити газоподібної. Але якщо провести таку операцію грубо, то структура «схлопнется» і деформується. Тому отримання аерогеля передбачає певні труднощі.

Найпростіший спосіб, який використовував в 1920-х роках винахідник аерогеля Семюел Кистлер, виглядає наступним чином. Спершу гель нагрівається до критичної точки - такої температури і тиску, при якій властивості рідини і газу не розрізняються між собою. Потім тиск знижується при збереженні критичної температури - при цьому речовина зберігає газоподібний стан.

Потім, другим ступенем, знижується і температура - спирту в структурі при цьому занадто мало, щоб він міг конденсуватися назад в рідину, і пори гелю залишаються наповненими газом (повітрям). У підсумку ми отримуємо недеформованому структуру - аерогель. Звучить нескладно, але побудувати на кухні пристрій для приведення гелю до критичної температури, а тим більше до тиску - завдання не з тривіальних. Але, поспішаємо помітити, це цілком можливо, і прецеденти є.

Вихідний продукт

Аерогель можна зробити з значної кількості матеріалів - різних полімерів, металів і т. Д. Найбільш поширені в промисловості (якщо це можна назвати «поширенням») три типи: на базі силикагелей, вуглеводнів і оксидів металів. Найчастіше в експериментах використовують перший тип.


Силіка-аерогелі виглядають повітряно-блакитними. Їх забарвлення пояснюється тим, що матеріал містить велику кількість частинок силики (оксиду кремнію) і заповнених повітрям або газом пір нанометрових розмірів, які розсіюють короткохвильове випромінювання (синій і фіолетовий) краще, ніж довгохвильове. Тобто по тій же самій причині, чому небо в ясний день має блакитний відтінок: за рахунок розсіювання світла на молекулах газів в атмосфері.

Аерогелі на основі вуглецевих гелів чорні, нагадують і на вигляд, і на дотик вугілля, тільки дуже легкий. Маючи дуже велику площу поверхні і будучи хорошими провідниками, вони можуть використовуватися для виготовлення суперконденсаторів або паливних елементів.

Нарешті, аерогелі на базі оксидів металів використовуються в якості каталізаторів при хімічних реакціях, а також при виробництві вибухових речовин, карбонових нанотрубок і т. Д. На відміну від сілікогелевих і вуглецевих побратимів, металеві аерогелі можуть бути різних кольорів - залежно від використовуваного металу.

Що із цим робити?

Застосовуються аерогелі в досить широкому спектрі областей, але, так би мовити, потроху. Одна з основних галузей, які використовують подібні матеріали, - космічна.

Наприклад, в 1999 році агентство NASA запустило космічний апарат «Стардаст», створений спеціально для дослідження короткоперіодичної комети 81P / Вільда. Пролетівши близько 4,8 млрд кілометрів, «Стардаст» успішно досяг комети, зробив ряд фотознімків і, що дуже важливо, зібрав частки «зоряний пил» з коми (хмари пилу і газу), навколишнього комету.

Для збору зразків якраз і використовувався аерогель, відомий своїми абсорбуючими якостями. 260 аерогелевих паралелепіпедів вловили значна кількість частинок і послужили «контейнерами», що дозволили доставити «зоряний пил» на Землю в повній цілості. У 2006 році «Стардаст» успішно повернувся, і вчені вперше за багато років отримали зразки космічної речовини - причому не якогось, а з «оточення» комети; аналіз отриманих зразків став ще однією віхою в дослідженні космосу.


В принципі, в якості пастки можна було використовувати і інші речовини, але ніщо не могло зрівнятися з аерогелем по поєднанню «мала маса - висока адсорбуються здатність».

Звичайно, не космосом єдиним живе людина. Для нас значно більше важливо не дослідницьке, а прикладне застосування того чи іншого винаходу. Цікаво, що на ранніх стадіях аерогелі намагалися застосовувати практично у всіх сферах людського існування - від косметики до вибухівки, від сигарет до холодильників.

У 1940-х роках Семюел Кистлер підписав контракт з компанією Monsanto, яка виробляла і продавала цей матеріал під торговою маркою Santocel. Вміст повітря в «сантоселе» становила близько 94%. В першу чергу «сантосель» рекламувався як ізоляційний матеріал для пожежонебезпечних виробництв, оскільки був негорючим і дуже легким.


Його абсорбуючі властивості дозволяли використовувати його в якості згущувача в напалмових бомбах, також він використовувався при виробництві лакофарбової продукції та т. Д. Протягом чверті століття Monsanto була єдиним виробником аерогелей в світі, але в 1970-х роках і вона згорнула виробництво дивного речовини. Занадто малий був попит, і занадто дорогим і небезпечним залишалося виробництво.

Але в 1980-х роках вчені розробили ряд більш простих способів отримання аерогеля. Спирт був замінений діоксидом вуглецю, а застосування в технології виготовлення силикагелей алкоголятов кремнію знизило токсичність і підвищило швидкість виробництва. Аерогель знову придбав комерційну цінність і отримав другий шанс.

Нині аерогелі застосовуються в різних галузях промисловості, наприклад при виробництві силікону і будівельних матеріалів. Аерогель можна зустріти в фарбах, косметиці, водонепроникних і вогнетривких тканинах, в ядерній галузі. Але основне вживання він знайшов в сфері ізоляційних матеріалів.


Зокрема, це ідеальний вогнетривкий матеріал, що дозволяє збільшити пожежну безпеку будівель, а також теплоізоляційна структура для важкодоступних ділянок (скажімо, віконні щілини в точках відкривання). Так, вартість його висока, але при грамотному використанні в певних місцях вона виходить навіть менше, ніж при застосуванні традиційних методів. Якщо найближчим часом будуть розроблені нові, більш дешеві методики виробництва аерогелю і його вартість впаде, аерогель цілком може стати товаром широкого вжитку. Як алюміній, нейлон або дерево.

Вперед в майбутнє

Дослідження аерогелей триває. Перед вченими стоїть цілий ряд завдань: зробити матеріал міцніше, дешевше, а також убезпечити його виробництво. У 2002 році професор Ніколас Левентіс з Університету науки і технологій штату Міссурі оголосив про те, що розробив метод виробництва нехрупкій аерогеля (раніше крихкість була однією з основних проблем матеріалу).

Речовини, створені за методикою Левентіса, отримали найменування X-аерогелі - вони міцніші і еластичні, але, з іншого боку, їх виробництво досить небезпечно і може тривати довше. Погіршилися і ізоляційні властивості. X-аерогелі можуть знайти застосування в сфері виробництва броні, автомобільних шин, літаків. Вуглецеві аерогелі можна застосовувати для створення суперконденсаторів і паливних елементів.


Зроби сам
На сайті aerogel.org приведена покрокова інструкція з виготовлення установки для сверхкритической сушки - того самого пристрою, який дозволить отримувати аерогелі в домашніх умовах, а також цілий ряд інструкцій по створенню аерогелей різних типів.

Сучасна наука найчастіше базується на дослідженнях, які проводяться в добре обладнаних лабораторіях цілими інститутами. Аерогелем, як не дивно, може займатися і вчений-одинак ​​- необхідне обладнання порівняно доступно. Це відкриває досить широкі можливості для досліджень. В інтернеті можна знайти цілі сайти, присвячені методиці і рецептами по виготовленню аерогелей.

Але ми, здається, так і не відповіли на два важливих питання, заданих на початку матеріалу: чи дійсно аерогель може бути легше повітря і чому китайський графеновий аерогель став сенсацією. Щільність різних аерогелей зазвичай варіюється в межах від 0,001 до 0,5 г / см ^ 3 (найчастіше порядку 0,02 г / см ^ 3) а щільність повітря - 0,001225 г / см ^ 3.


Тобто аерогель дійсно може бути трохи легший за повітря - такий ефект досягається видаленням повітря з пор і заміщенням його газом, легшим, ніж повітря. Китайські ж вчені поставили рекорд, домігшись щільності 0,00016 г / см ^ 3. Попередній рекорд сверхмалой щільності належав матеріалу під назвою аерографії, створеному рік тому німецькими вченими, - його щільність становила 0,0002 г / см ^ 3.

Основне досягнення китайців не тільки в розробці нового методу отримання аерогеля і встановленні рекорду, але і в відмінних властивостях графенового аерогеля: він дивно еластичний (відновлюється після 90% -ного стиснення) і здатний абсорбувати кількість рідини (масла), в 900 разів перевищує його власну масу. Цілком ймовірно, нова речовина стане чудовим улавливателем океанічного сміття і, що не менш важливо, що забруднюють воду речовин, наприклад нафти.

Загалом, широке практичне застосування аерогелей в повсякденному житті, як то кажуть, на носі. Правда, поки зовсім незрозумілі розміри цього носа.


Джерело: Популярна механіка



Ctrl
Enter
Знайшли помИлку
Виділіть текст і натисніть Ctrl+Enter
Коментарі (0)
Прокоментувати:
Автор
Семенюк Неоніла Віталіївна
Широківський ЗЗСО
Вчитель фізики
Запорізька область,
Запорізький район,
с. Широке, Україна
Авторські права
При копіювання матеріалів з блогу, активне гіперпосилання на Блог вчителя фізики обовязкове.
Також ми не посягаємо на чужі старанання, працю та інше. Якщо Ви знайшли матеріл на сайті і вважаєте, що ми порушили Ваше авторське право, то зверніться до адміністрації сайту за допогою контактів і ми знайдемо компроміс.