Химия

Какой материал самый легкий в мире?

Аэрогели представляют собой разнообразный класс твердых пористых материалов, демонстрирующих необычайную совокупность экстремальных свойств материала и чрезвычайно легкого веса.

Вы когда-нибудь мечтали о том, чтобы спать на пушистых белых облаках или нырять в бассейне с твердым воздухом, только чтобы плавать в его странной, мягкой, нежной текстуре. Однако они очень разные. Являясь самым легким материалом из существующих на сегодняшний день, аэрогели неубедительно крепки и невероятно невосприимчивы к широкому кругу суровых условий.

«Аэрогель» не может рассматриваться как особый материал или минерал, такой как хлопок или графен, и имеет особую химическую формулу. Вместо этого они представляют собой разнообразный класс твердых пористых материалов, демонстрирующих странную совокупность экстремальных свойств материала, состоящую из группы материалов с определенной геометрической структурой - чрезвычайно пористой твердой пены с высокой связью между разветвленными структурами по всему материалу. Эти связи, хотя и охватывают несколько нанометров, невероятно прочны и долговечны. К вашему удивлению, эти «мистически» материалы существуют на протяжении всей истории гораздо дольше, чем вы можете себе представить. Американский профессор химии Стивен Кистлер, в 1931 году, опубликовал первые выводы об этом материале после его успешного изобретения, включающего много проб и ошибок.

Как сделать аэрогель?

Представьте, что вы готовите миску сладкого желатинового десерта. Процесс приготовления аэрогеля на самом деле очень похож. Желатиновый порошок смешивают в горячей воде и затем охлаждают в холодильнике. Что вы получаете, это гель. На этом этапе аэрогель и ваше обычное съедобное желе ничем не отличаются. Если вы поместите этот волнистый гель в духовку сейчас и удалите всю его влагу, ваше желе, несомненно, превратится в порошок. Это потому, что когда влага откачивается в виде пара, структурные связи между желеобразным материалом вытягиваются внутрь, не оставляя ничего, кроме пыли.

Однако, если вам каким-то образом удалось вытащить все жидкое содержимое геля, не повредив твердую структуру и форму, то у вас останется чрезвычайно плотное пористое вещество низкой плотности. Именно так делаются аэрогели.

Сверхкритическая сушка - сложная техника, с помощью которой жидкость может вытягиваться капиллярно. Все чистые вещества (которые не разлагаются) имеют критическую точку. Это определенное давление и температура, при которых исчезает различие между их жидким состоянием и газовой фазой. Эта фаза материи называется сверхкритической жидкостью.

Чтобы создать аэрогель, возьмите герметичный контейнер с жидкостью (в основном кремнеземом) ниже его критической точки. Эта банка оснащена манометром сверху и оборудованием для повышения температуры. Определенное количество жидкости испаряется в контейнере до тех пор, пока давление пара жидкости и давление в сосуде не выровняются. Теперь, если вы нагреваете контейнер, давление в контейнере увеличивается, из-за увеличения давления пара с температурой. Поскольку критическая точка этой жидкости приближается, давление в резервуаре сжимает молекулы пара достаточно близко друг к другу, так что пар становится почти таким же плотным, как жидкость.

Одновременно температура в контейнере становится достаточно высокой, так что кинетическая энергия молекул в жидкости ослабляет силы притяжения, которые удерживают их вместе в виде жидкости. В конце концов, критическая точка достигнута, размытие мениска, разделяющего две фазы, приводит к одной сверхкритической фазе! На этом этапе поверхностное натяжение в жидкости медленно падает до нуля, заставляя капиллярное напряжение также падать.

Аэрогелификация

Сверхкритическая жидкость, присутствующая теперь во всем сосуде, имеет поры, заполненные гелем; жидкость в этом геле теперь может быть удалена без поверхностного натяжения, чтобы помешать процессу. Это делается путем частичного сброса давления в сосуде (не ниже критического давления). Температура контейнера также должна оставаться выше критической температуры на этом этапе.

Цель состоит в том, чтобы избавиться от достаточного количества жидкости из сосуда, в то время как жидкость все еще находится в сверхкритическом состоянии, что гарантирует, что когда давление в сосуде полностью сбрасывается ниже критической точки жидкости, в сосуде просто не останется вещества для повторной конденсации. После удаления достаточного количества жидкости в сосуде постепенно сбрасывают давление и охлаждают до условий окружающей среды. Когда это происходит, небольшое количество жидкости, оставшейся в сосуде, проходит через критическую точку; он возвращается в газообразное состояние. Оставшаяся жидкость в геле теперь полностью преобразована в газ без капиллярного напряжения, и остается аэрогель.

Типы Аэрогеля

Три основных типа аэрогелей - оксид кремния, оксид углерода и металла. Эти твердые вещества нашли широкое применение в современных элементах оборудования благодаря своим уникальным структурным и химическим свойствам.

Кремнезем не следует путать с кремнием, веществом, используемым в микросхемах и полупроводниках. Кремнезем является стеклообразным материалом, используемым для изоляции. Аэрогели на основе диоксида кремния являются наиболее часто обсуждаемыми аэрогелями; если вы слышите, как люди говорят об аэрогелях, есть большая вероятность, что они говорят об аэрогелях из диоксида кремния. Молекулы кремнезема, которые больше, чем длина волны белого света, рассеивают синий свет, обеспечивая тем самым прозрачный синий оттенок.

Совершенно не похоже на небесно-голубые аэрогели на основе диоксида кремния, аэрогели на основе углерода имеют серовато-черный оттенок с текстурой, напоминающей древесный уголь. Их непривлекательный внешний вид компенсируется высокими свойствами электропроводности. Миллионы воздушных зазоров и пор резко увеличивают площадь абсорбции этих аэрогелей, что делает их незаменимым кандидатом для топливных элементов, систем опреснения и суперконденсаторов.

Металлические аэрогели, как следует из названия, сделаны из оксидов металлов. На самом деле они являются неорганическими кузенами более распространенного аэрогеля с кремнеземом. Каждый тип аэрогеля имеет свои уникальные свойства. Эти аэрогели очень полезны в качестве катализаторов для многих различных химических превращений, взрывчатых матриц и предшественников для других материалов, таких как катализатор из углеродных нанотрубок. Эти аэрогели часто бывают довольно красочными, а некоторые даже имеют магнитную природу.

Применение аэрогеля

Благодаря своей низкой теплопроводности и чрезвычайно малому весу, они являются идеальными кандидатами для строительства строительных и бытовых приборов, средств хранения, автомобилей и космических аппаратов и солнечных устройств.

Благодаря высокой пористости и низкой плотности они используются в машинных датчиках, хранилищах топлива, ионообменниках, фильтрах выхлопных газов. Являясь мягкими полупрозрачными твердыми веществами с низким показателем преломления, они также используются в качестве световодов и находят применение в легкой оптике.

Будучи акустически непрозрачными для звуков, они используются при облицовке стен звукоизолированных помещений и в ультразвуковых датчиках расстояния. Будучи легкими и мягко эластичными, они находят хорошее применение в качестве поглотителей энергии в ловушках сверхскоростных частиц. Обладая высокой площадью поверхности и низкими диэлектрическими постоянными, аэрогели часто используются в диэлектриках для интегральных схем и конденсаторов из-за их высокой диэлектрической прочности.

Как вы видите, этот уникальный класс материала может сделать гораздо больше, чем просто удержать влагу в обувной коробке!

Back to top button