Аэрогель. Виды и применение. Плюсы и минусы. Особенности

Понять, что такое аэрогель поможет расшифровка значения этого 2-х коренного слова, происходящего от латинских «aer» (воздух) и «gelatus», переводимого как «твердый». Согласно приведенному определению – это самое легкое вещество из известных в природе, находящееся в твердом агрегатном состоянии.

К числу характерных признаков аэрогеля также относятся следующие его свойства:

• Относительная прозрачность.
• Низкая теплопроводность.
• Жаростойкость.

Внешне – это похожий на пенопласт материал, отличающийся от последнего своим цветом и прочностью. По заявлениям производителей аэрогель способен выдерживать нагрузки, которые в 2000 раз превышают его собственный вес.

Плотность этого вещества составляет величину порядка 1 кг/м². Это в 1,2 раза ниже, чем тот же показатель для окружающего нас воздуха (если не учитывать его массу). Все перечисленные свойства аэрогеля превращают его в очень ценный материал, востребованный во многих сферах современной жизни.

Существующие разновидности

В зависимости от своего состава и с учетом специальных добавок рассматриваемое вещество может иметь следующие разновидности:

• Кварцевый аэрогель.
• Материал того же класса под названием «Халькогель».
• Углеродистые составы.
• Кремниевые аэрогели.

Первый из этих материалов имеет плотность в 1,9 кг/м², что, например, в пятьсот раз меньше того же показателя для воды. Кроме того, он хорошо пропускает солнечные лучи, поглощая тепловую часть спектра и отличается очень низкой теплопроводностью (0,003 Вт/м·К). Средняя температура плавления кварцевого аэрогеля составляет около 1200°C.

Так называемые «Халькогели» удается получить, если в составе обычной аэрогели заменить кислород серой или химическим элементом селеном. Такая замена обеспечивает пористой структуре возможность взаимодействия со многими токсичными металлами, включая ртуть. Углеродистые аэрогели отличаются хорошей электропроводностью, что позволяет использовать их в электронной промышленности при производстве конденсаторов.

Значительная по величине площадь поверхности элементов, из которых состоят углеродистые аэрогели, допускает их применение при производстве конденсаторов емкостью порядка тысяч фарад. В диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм эти гели отражают не более 0,3% излучения, что позволяет изготавливать из них элементы, хорошо поглощающие солнечный свет. Кремниевые аэрогели изготавливаются из оксида алюминия с одновременным добавлением других металлических компонентов. Полученные на их основе производные чаще всего используются в качестве катализаторов.

Где применяется аэрогель в промышленности

При рассмотрении областей применения следует исходить из разновидности описываемого вещества. Так, кварцевые аэрогели, в частности, являются хорошими теплоизоляторами, что позволяет использовать их в таких важных отраслях, как:

• Строительство.
• Космонавтика и электронная промышленность.
• Авиация и энергетика.
• Машиностроение.
• Химическая отрасль и биология.
• Медицина и фармацевтика.
• В легкой промышленности этот материал используется для пошива одежды.

Представленные характеристики кварцевого аэрогеля позволяют применять его для изоляции стенок холодильников самого различного назначения, а также встроенных морозильных камер. В качестве хорошего изолятора аэрогель широко применяется при прокладке трубопроводов различного класса. Материалы на его основе пользуются большим спросом при необходимости теплозащиты магистралей холодного и горячего водоснабжения, а также в оборудовании, где образование конденсата нежелательно.

Тепло- и звукоизоляционные свойства этого материала позволяют применять его во многих образцах современного оборудования и в элементах строительных конструкций:

• Бойлерные агрегаты и емкости для хранения нагретой воды.
• Криогенная техника и высокоточные приборы.
• Вентиляционное борудование и кессоны.
• Несущие стены, а также фундаменты и кровли строящихся зданий.
• Балконы и лоджии.
• Помещения бань и саун и т.д.

Для современных парных оптимально подойдет аэрогель со слоем отражающей фольги, выполняющий одновременно функцию тепло- и гидроизоляционной защиты.

Особо отмечается возможность использования тканей на основе этого материала для пошива образцов специализированной и бытовой обуви.

Применение в научно-исследовательских целях

Помимо чисто практических целей, рассматриваемый нами материал применяется в следующих научно-технических разработках и областях:

• Радиаторы Черенкова.
• Физика низких температур.
• Эксперименты с лазерной техникой.
• Перспективные направления в области разработки новых образцов электроники.
• Космические исследования.

Радиаторы Черенкова

Согласно теории, излучатели этого типа генерируют заряженные частицы только тогда, когда их скоростные характеристики превышают в веществе скорость света. Она в определенной мере зависит от коэффициента преломления вещества (согласно положениям теории, обратно пропорциональна ему). А сам этот коэффициент неразрывно связан с такой характеристикой, как плотность вещества, которая в аэрогелях легко меняется в широких пределах.

Исследования эффектов низких температур

В этом научном направлении рассматриваемое вещество используется при исследовании уникальных свойств сверхтекучего гелия. При введении жидкого состава между порами аэрогеля наблюдается заметное изменение его свойств. Микроскопические твердые частички, бессистемно распределенные по всему объему жидкости, используются в качестве своеобразных «примесей».

Их концентрацию можно менять в широких пределах, для чего применяются аэрогели с различной пористостью. Эти эксперименты вызывают большой интерес у исследователей во всем мире. Они послужили основанием для открытия нового направления в изучении эффекта сверхтекучести.

Эксперименты с лазерным облучением

При облучении мощным лазерным лучом специальной мишени, состоящей из плотного и легкого аэрогеля, возникает целый ряд интересных явлений. Прежде всего – это сильный термический и радиационный удар, приводящий к смешиванию различных сред в месте соприкосновения. Изучение таких необычных эффектов очень важно для современной науки, включая объяснение явлений, сопровождающих взрывы сверхновых.

Электроника и космические исследования

Поскольку аэрогели отличаются хорошими диэлектрическими характеристиками – они применяются в многослойных печатных платах в качестве изоляционного слоя. Это значительно увеличивает быстродействие электронных схем. Кроме того, исследователями NASA аэрогель часто используется для регистрации космической пыли и других частиц, развивающих огромные скорости в межзвездном пространстве. При соударении с ним эти частицы полностью испаряются; при этом аэрогель обеспечивает плавное снижение их скорости. Поскольку используемое вещество достаточно прозрачно – это свойство позволяет наблюдать пути следования космических частичек.

Добавим к этому, что с помощью аэрогеля многими исследователями (в том числе – из США) проводятся эксперименты по борьбе с вредоносными микроорганизмами, развивающимися в воздушной среде. После того, как их вводят в поры подготовленного определенным образом вещества – некоторые из бактерий частично теряют свою активность.

Преимущества

К достоинствам аэрогелевых материалов принято относить:

• Экологичность, безопасность применения и огнестойкость.
• Малую удельную плотность.
• Гидрофобность и низкий показатель теплопроводности.
• Простоту монтажа.

Отсутствие в их составе вредных примесей не несет никакой угрозы для окружающей среды, а огнестойкость материала позволяет применять его в условиях повышенных температур.

Изделия и жидкие составы, содержащие аэрогель, относятся к классу негорючих материалов, что существенно расширяет область их применения. Малая плотность этого вещества, на 98% состоящего из воздуха, позволяет снизить вес конструкций из содержащих эту добавку материалов.

Особенности структуры вещества обеспечивают быстрое испарение влаги и позволяют защищать от коррозии поверхности самого различного типа. Помимо этого, такие материалы отличаются ярко выраженными влагоотталкивающими свойствами, проявляющимися даже при высоких температурах.

Низкий показатель теплопроводности композитных материалов позволяет получать высокоэффективные утеплители, применяемые в самых различных областях народного хозяйства. Простота монтажа конструкций, содержащих в своем составе аэрогелевые компоненты, объясняется легкостью их крепления на поверхностях любой структуры. Утеплительные плиты или полотна монтируются на обычные клеевые составы, используемые для фиксации других типов теплоизоляторов.

Недостатки аэрогеля

Несмотря на свои уникальные свойства и все рассмотренные ранее достоинства, аэрогель не лишен и серьезных недостатков:

• Дороговизну материала, связанную со сложностями технологии его изготовления.
• Недостаточную прозрачность аэрогеля, имеющего желтоватый или голубоватый оттенки.

Сегодня перед учеными всего мира стоят две серьезные задачи. Для решения первой из них потребуется по возможности увеличить степень прозрачности аэрогеля. Вторая задача – попытаться удешевить технологию производства этого материала.

Похожие темы:

• Графен. Устройство и применение. Особенности и перспективы
• Кевлар. Свойства и применения. Формы выпуска и особенности
• Абсолютно черное тело (АЧТ). Виды и значение. Применение
• Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности
• Метаматериалы. Виды и устройство. Работа и применение
• Диэлектрики. Виды и работа. Свойства и применение. Особенности
• Углеродные нанотрубки. Устройство и применение. Особенности
• Электроактивные полимеры. Виды и применение. Особенности

самый легкий материал на Земле. Интервью с Н.В. Меньшутиной

Аэрогели представляют собой легкие высокопористые
материалы с уникальными свойствами. Благодаря низкой
плотности и теплопроводности, сочетающимся с высокой твердостью и
прозрачностью, аэрогели перспективны для изготовления
теплоизоляционных материалов, а также материалов для различных
медицинских целей.  Как с помощью аэрогелей можно ловить
звездную пыль и останавливать кровотечения? Почему самая
эффективная теплоизоляция получается из аэрогелей и как ученые
смогли запустить такое производство? Что такое сверхкритическая
сушка? Рассказывает Наталья Васильевна
Меньшутина. 

Наталья Васильевна Меньшутина — профессор,
доктор технических наук, руководитель Международного центра
трансфера фармацевтических и биотехнологий Российского
химико-технологического университета имени Д.И.
Менделеева.

— Аэрогели называют застывшим дымом. Насколько эта
метафора справедлива? И что собой в действительности представляют
аэрогели?

— Да, действительно, аэрогель — это новый класс материалов,
которые иногда сравнивают с застывшим дымом, поскольку это
необыкновенно легкий материал с высокопористой структурой.
Плотность материала достигает трех килограмм на метр кубический.
А внутренняя поверхность — примерно тысячу квадратных метров на 1
грамм. То есть фактически, разворачивая один грамм аэрогеля, мы
можем покрыть футбольное поле.

За счет чего достигается такая пористая структура и большая
площадь внутренней поверхности? Аэрогель создается с помощью
золь-гель технологии получения пористых или монолитных химических
продуктов, а также сверхкритической сушки. Сверхкритическая сушка
— это процесс удаления жидкости точным и контролируемым способом,
совершенно новая технология, которая зародилась в конце ХХ века и
активно развивалась с 2000-х годов. В процессе создания аэрогеля
используется, как говорят специалисты, сверхкритический флюид.
Иногда его называют четвертым состоянием вещества.
Сверхкритические флюиды обладают свойствами как газа, так и
жидкости. Подобные смешанные свойства позволяют создавать
уникальные материалы, в том числе сохранять пористую структуру
при создании аэрогеля.

Отмечу, что при обычной тепловой сушке или любой другой обработке
материалов пористая структура как бы схлопывается. Вспомните
сушеную дольку яблока — она вся сморщенная за счет того, что при
тепловой обработке все поры, заполненные жидкостью, схлопываются.
Если же мы будем сушить кусочек яблока в сверхкритической сушке,
то оно останется таким же, как если бы мы его только что отрезали
от яблока.

Пористая структура аэрогеля образована молекулярными кластерами
или глобулами. Размер глобул составляет около четырех нанометров.
Если при создании аэрогелей используются полимеры природного
происхождения, то тогда мы получаем волокнистую структуру. В
аэрогелях поры имеют размер от 2 до 50 нанометров. Можно добиться
узкого распределения пор по размерам, что важно для решения
широкого спектра задач.

Итак, аэрогель — это необыкновенно пористый и легкий материал.

— На основе каких веществ создаются аэрогели?

— Существуют три типа аэрогелей. Первый тип — неорганические
аэрогели: аэрогели из диоксида кремния и аэрогели из оксидов
металлов (алюминия, титана, стронция). Иногда аэрогели создают
исключительно из металла, получая так называемую «металлическую
пену».

Второй тип — органические аэрогели, в том числе из полимеров.
Очень часто используются полисахариды, природные полимеры,
особенно при фармацевтическом производстве или для создания
материалов медицинского назначения. Существуют органические
аэрогели, созданные, например, из формальдегида. Они используются
в Германии для решения задач, связанных со строительством.

Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г

Источник: Courtesy NASA/JPL-Caltech / Wikipedia

И третий тип — это гибридные аэрогели, при создании которых
используют и органику, и неорганику. Например, аэрогели на основе
кремния со встроенными углеродными нанотрубками. При таком
сочетании мы получаем высокопористый материал с достаточно
жестким каркасом, который можно использовать для сорбции или
фильтрации различных газов и паров.

— Историю происхождения аэрогелей часто связывают с
Самюэлем Стивенсоном Кислером, который в 30-е годы опубликовал
статью в Nature, где представил
свою концепцию. Он потратил немало лет, чтобы найти некую
идеальную формулу. Чего удалось достичь последователям
ученого?

— Действительно, Кислер представил идею в 1931 году. Первые
производства появились в 40-х годах прошлого века в США. Это было
производство компании Monsanto Chemical Co. в Бостоне. Сушка
проводилась с использованием сверхкритических спиртов — крайне
опасных составляющих. Это и привело к  взрыву на предприятии
в 1984 году. Однако современная более безопасная реализация
процесса с использованием сверхкритического диоксида углерода
появилась только в 90-х годах. Таким образом, около 60 лет
научное сообщество искало эффективные и безопасные методы
производства аэрогелей. Технология была и остается достаточно
сложной. Первое время ученые не понимали, что собой представляют
сверхкритические флюиды и как с ними работать.

Сегодня аэрогели производят в США (компания Aspen), в Германии и
Китае. Кстати, американские и китайские коллеги судятся и по
этому вопросу, поскольку Китай, очевидно, использует американские
патенты.

Наша страна пошла своим путем. Отечественное опытное производство
запустилось на заводе в городе Щелково с помощью
Минпромторга. Сегодня там выпускают до 10 тысяч м²/год
аэрогеля в виде рулонов. Поскольку материал очень легкий, то и
производство достаточно большое.

— Где применяются аэрогели?

— Чаще всего аэрогели используются в качестве теплоизоляции.
Теплоизолирующие свойства аэрогелей очень высоки, постольку
материал заполнен воздухом, который плохо проводит тепло. К тому
же воздух хороший диэлектрик.

Наиболее актуальный пример — теплоизоляция газопровода на
территории Европы. Чтобы сохранить температуру газа, трубопровод
оборачивают американским аэрогелем. Пока аэрогели можно считать
дорогостоящим материалом. Но я надеюсь, что российские
предприниматели будут активней покупать отечественные аэрогели, а
наше производство заработает в полную силу для обеспечения рынка.

Помимо этого, аэрогели можно использовать как подложку для
катализаторов. Это направление активно развивает Институт
катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской
академии наук в Новосибирске. Пористая структура аэрогеля
позволяет улавливать или сорбировать различные частицы и газы.
Так, специалисты из Института катализа создали ловушки для
космической пыли в рамках американского космического проекта.

Например, мои коллеги из Гамбургского технического университета
создали фильтры для самолетов компании Airbus. Забавный
факт: в основном воздух в салонах самолетов очищается от
спиртовых паров.

На сегодняшний день аэрогели пытаются использовать для
медицинских и фармацевтических целей. В фармацевтике аэрогели
применяются для создания системы доставки лекарственных
препаратов, особенно труднорастворимых. Один из проектов, который
сейчас реализуется под руководством ректора РХТУ Александра
Георгиевича Мажуги, связан с доставкой лекарственных препаратов в
мозг. Мы создаем ингаляторную форму — это фактически сухой
аэрогель в виде спрея. Активное вещество осаждается в носоглотке
и постепенно доходит до мозга. Этот вариант доставки лекарств
активно исследуется как в нашей стране, так и в Китае, и в других
странах.

Также совместно с нашими коллегами мы сделали аэрогель для
остановки массивных артериальных и венозных кровотечений. Суть
метода в том, что аэрогель помещается в рану, и, в отличие от
существующих средств, он не обжигает ткани и не проникает в
кровяное русло. Создается сгусток крови, после чего кровотечение
останавливается (при определенных методиках) буквально за одну
минуту. Очень надеюсь, что в этом году начнется производство.

— То, что вы рассказали очень впечатляет. Словно это
какая-то химическая магия: зная свойства определенных материалов,
можно достичь таких интересных результатов.

— Я бы сказала: химическая и технологическая магия. Все-таки
современные технологии не менее важны. Как и специалисты. Молодые
ученые, которые со мной работают, — хорошие технологи; они
понимают, как те или иные методики будут представлены
непосредственно на производстве. В нашей работе чрезвычайно важно
перенести знания из пробирки на завод, осуществить качественный
трансфер технологии: из лаборатории — в промышленность.

Проведение реакций или сверхкритическая сушка в малом объеме —
это один момент. Но когда мы переходим на большие производства —
там всё по-другому. Мои сотрудники и студенты моделируют,
проводят расчеты и выдают необходимые данные для проектирования.
А при закупке оборудования мы осуществляем пуск и наладку
техники. Поэтому для нас значим не только химический, но и
технологический аспекты.

— Насколько быстрым может быть переход от пробирки до
промышленных образцов?

— Если говорить о материалах, которые останавливают массивные
венозные и артериальные кровотечения, — аэрогелях на основе
хитозана, то только наработка партий и испытания на животных
заняли два года. Сейчас продолжается процедура регистрации и идет
планировка завода.

В целом, когда речь идет о материалах для медицины, появляется
новая, непривычная для нас стадия — стерилизация. Сейчас мы ищем
места, где сможем ее осуществлять. Планируется, что к лету 2022
года мы уже откроем производство. В нашем случае выход на
производственный уровень занял около 5 лет.

— Это привычное время, или все зависит от условий и
материалов, которые в конечном итоге будут создаваться?

— Считается, что, если ты в десять лет уложился, это уже хорошо.
Поэтому да, это достаточно быстро. Плюс ко всему, это уже второе
наше производство. Опыт, полученный ранее, ускорил процесс.

— Когда говорят об аэрогелях, упоминают, что, возможно, в
будущем они станут новой пластмассой. Насколько это
реально?

— Я в первую очередь инженер-технолог. Поэтому станут ли они
новой пластмассой — сложный для меня вопрос. Тем не менее, уже во
многих странах научились использовать аэрогели в самых разных
сферах. Прямо сейчас изучаются способы создания аэрогелей из
белков — белков яиц, козеина, молока. То есть речь идет о попытке
внедрения аэрогелей в пищевую промышленность.

В США, например, сделали прекрасные куртки, заменив пух
аэрогелями. Это очень интересное направление, которое, в
дальнейшем, может прийти и в Россию.

— В каких направлениях развивается Центр трансфера
фармацевтических и биотехнологий РХТУ?

— Поскольку Центр представляет собой подразделение университета,
то большое внимание уделяется обучению студентов и их научной
работе. Я начинаю читать лекции на первом курсе — «Введение в
специальность», а уже на втором — ребята приходят к нам и
начинают работать над собственными проектами в лабораториях. И
это, конечно, очень хорошо, поскольку студент сразу реализует
собственные идеи. Он учится читать литературу на английском
языке, находить интересные данные и проводить научные
исследования.

Нам удалось открыть две новые магистерские специальности:
«Цифровые технологии для фармацевтических производств» и
«Современные процессы и аппараты химических производств».
Фармацевтическое направление сегодня особенно актуально, ведь оно
обеспечивает наше здоровье. При этом на фармацевтических
производствах, в отличие от большой химии, очень мало
автоматизации. Ведь во многом фармацевтика вышла из первых аптек.
Она всегда была очень закрытой. И даже сегодня зачастую на
фармацевтическое производство попросту не пускают тех, кто мог бы
помочь реализовать процессы автоматизации. Считаю, что сегодня
очень важно подготовить специалистов, которые смогут, работая на
фармпроизводствах, автоматизировать его и осуществить переход от
маленьких партий к большим масштабам. И современная цифровизация
очень важна для фармпроизводств.

Прямо сейчас мы пытаемся пройти лицензирование программы
«Промышленная фармация». Если все пройдет хорошо, то в следующем
году в РХТУ откроется еще одна образовательная программа.
Студенты — это наше будущее — ученые, производственники, и очень
важно, чтобы они получили качественное образование.

— Когда и как вы заинтересовались тематикой химических
технологий и аэрогелей?

— Научная работа меня интересовала всегда. Во многом, этот
интерес появился благодаря отцу, который в свое время создавал
твердое и жидкое ракетное топливо. Я не боюсь больших заводов.

И всегда говорю: если химия — это игра маленькой изящной
дудочке, то большая химия — это рок-концерт, где всё гремит,
где участвует множество различных музыкальных инструментов и
так далее. Но этого «грохота» не надо бояться.

Если говорить об аэрогелях, то я заинтересовалась этой тематикой
лет 12 назад. В университет ее привнес академик Алексей
Михайлович Егоров. Он сказал: «Посмотри, какие интересные
материалы. Попробуй сделать». Я пригласила выпускников МГУ
(химиков) в аспирантуру, и они развивали это направление в РХТУ.
Сейчас один из них — Павел Гуриков — профессор Гамбургского
университета.

— Сотрудничаете ли вы с иностранными коллегами в рамках
этой тематики?

— Конечно, у нас очень тесная кооперация. В новых условиях она
несколько изменилась, и нам пока не удается приезжать друг к
другу, но общение остается. Существует целое «аэрогельное»
сообщество, состоящее из американских, европейских и китайских
специалистов.  Поскольку у меня собственная ниша
(фармацевтическая и медицинская), несколько недель назад я читала
лекцию для Гамбургского университета. Мы с коллегами пришли к
выводу, что у России могут быть лидирующие позиции в этом
направлении. В первую очередь потому, что у нас хорошие
возможности для проведения доклинических исследований. В той же
Германии очень сложно получить разрешение на доклинику. У нас же
в стране это сделать немного проще.

У нас действительно сплоченный «аэрогельный» коллектив, и очень
жалко, что мы давно не встречались.

— Будем надеяться, что скоро всё вернется на круги своя.
Что бы вы пожелали студентам и ребятам, которые в этом году
поступят к вам на первый курс? Какое из
направлений по тематике аэрогелей им выбрать?

— Если говорить о направлении аэрогелей, то интересных
направлений очень много. Уверена, что каждый найдет свое. И,
конечно, молодежь сегодня такая, что она сама создает что-то
новое. Увлеченные ребята разрушают стереотипы и привносят в
аэрогельную тематику что-то, о чем я даже и не думала.

Что бы я пожелала молодым ребятам? Быть фанатом науки!

НАСА — идеи, которые гель

Самые очевидные идеи не всегда ясны. Возьмем, к примеру, аэрогель, прозрачное дымчато-голубое вещество, которое было специально изготовлено, чтобы, среди прочего, принести домой кусок кометы.

Это экзотическое вещество, обычно называемое «замороженным дымом» из-за его туманного вида, обладает многими необычными свойствами и может выдерживать экстремальные температуры. Его универсальность была скрыта, пока он не попал в руки некоторых исследователей НАСА. Они увидели сквозь дымку и осознали возможности. Результатом стала разработка нового способа использования аэрогеля для освоения космоса.

Много шума из ничего

Аэрогель представляет собой твердое вещество на основе кремния с пористой губчатой ​​структурой, в которой 99,8% объема составляет пустое пространство. Для сравнения, аэрогель в 1000 раз менее плотный, чем стекло, еще одно твердое вещество на основе кремния. Аэрогель, открытый в 1930-х годах исследователем из Стэнфордского университета, является самым легким твердым телом в мире.

Лаборатория реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния, изменила первоначальный рецепт, чтобы предложить новый захватывающий способ использования аэрогеля для исследования космоса. Этот конкретный аэрогель, изготовленный в Лаборатории реактивного движения, приближается по плотности к воздуху, но он долговечен и легко выдерживает запуски и космические условия. Лаборатория реактивного движения использовала аэрогель для изоляции блока электроники на марсоходе Mars Pathfinder Sojourner, который исследовал красную планету в 1997 году.

Достаточно сильный, чтобы остановить пулю на пути

Миссия Stardust, которая в настоящее время находится на пути к комете Wild 2 (произносится как Vilt 2), будет использовать аэрогель для инкапсуляции частиц межзвездной и кометной пыли и доставки образцов домой в 2006 году. Когда Stardust столкнется с кометой, частицы будут перемещаться до 6 раз превышает скорость винтовочной пули. Чтобы собрать эти хрупкие частицы, каждая из которых меньше песчинки, аэрогель будет постепенно замедлять их до полной остановки без
повреждая их или изменяя их форму и химический состав.

Аэрогель на звездной пыли был разработан и изготовлен в Лаборатории реактивного движения. Он менее плотный на поверхности удара, где частица сталкивается с аэрогелем, и все же имеет постепенно увеличивающуюся плотность по мере того, как частица закапывается глубже и замедляется до полной остановки. Это похоже на использование прогрессивных линз в очках.

Сбор пыли

Аэрогель на борту космического корабля «Звездная пыль» помещается в коллекторную сетку в форме теннисной ракетки. Одна сторона коллектора будет обращена к частицам, исходящим от кометы, а обратная сторона, или сторона B, будет обращена к потокам межзвездной пыли в различных точках семилетнего путешествия миссии.

Когда кусочек кометной пыли попадает на аэрогель, он зарывается в материал, создавая след в форме моркови, длина которого до 200 раз превышает его собственную. Это замедляет его и приводит к относительно постепенной остановке семпла. После встречи с кометой сборщик аэрогеля втянется в капсулу для возврата образцов и вернется на Землю для регистрации и хранения учеными в Космическом центре Джонсона НАСА в Хьюстоне, где будут работать ученые-исследователи со всего мира.
в состоянии изучать и анализировать эти уникальные частицы.

Прозрачное использование аэрогеля

Благодаря уникальному сочетанию физических свойств — тепловых, акустических, оптических и электронных — аэрогель обладает невероятным потенциалом для использования на Земле.

Однако, по сравнению с другими стандартными коммерческими материалами, аэрогель по-прежнему довольно дорог. Таким образом, несмотря на то, что он станет превосходным изолятором для вашего дома или холодильника, вы вряд ли увидите, что он будет использоваться как таковой в ближайшем будущем.

Тем временем исследователи из Лаборатории реактивного движения работают над улучшением свойств и характеристик аэрогеля. Сделав аэрогель более универсальным, он может стать конкурентоспособным в качестве коммерческого материала. А пока исследователи продолжают смотреть в небо, с тревогой ожидая возвращения дымчато-голубого вещества, которое принесет домой сувенир из космоса.

Что такое аэрогель? | Вандополис

ТЕХНОЛОГИИ — Изобретения

Задумывались ли вы когда-нибудь…

• Что такое аэрогель?
• Как делают аэрогель?
• Для чего используется аэрогель?

Теги:

Просмотреть все теги

• Наука,
• Аэрогель,
• Желатин,
• Структура,
• Пенополистирол,
• полупрозрачный,
• Ледяной дым,
• американский,
• Сэмюэл Кистлер,
• Чарльз Лернед,
• Газовая,
• Гель,
• Огнеупорный,
• Электрический проводник,
• Изолятор,
• Алкогель,
• Алкоголь,
• Силикагель,
• Сверхкритическая сушка,
• Давление,
• Углерод,
• Оксид металла,
• Суперконденсатор,
• Топливный элемент,
• Магнитный,
• Катализатор,
• Химическая трансформация,
• Углеродная нанотрубка,
• НАСА,
• Космический корабль,
• Космическая пыль,
• Комета,
• Гидрокостюм,
• Костюм пожарного,
• Косметика,
• Краска,
• Конвекция,
• Проводка,
• Радиация

Сегодняшнее чудо дня было вдохновлено Сидни. Сидни Уондерс , “ Что такое аэрогель? ”Спасибо, что ДУМАЕТЕ вместе с нами, Сидни!

Если бы вас попросили угадать, что такое аэрогель, что бы вы ответили? Это новый вид геля для волос, безопасный для окружающей среды? Может быть, это новый тип студенистого авиационного топлива?

В то время как новые гели для волос и топливо для самолетов были бы хорошими вещами, аэрогель не является ни тем, ни другим. На самом деле, это намного больше.

Аэрогель — самое легкое твердое вещество, когда-либо созданное человеком. Представьте себе миску с желатином, из которой вся жидкость удалена и заменена воздухом. Однако вместо того, чтобы разрушаться, он сохраняет свою структуру и на ощупь похож на пенополистирол. Вот что такое аэрогель. Его полупрозрачный вид принес ему прозвище «замороженный дым».

Аэрогель появился в результате пари между двумя американскими учеными в конце 1920-х годов. Сэмюэл Кистлер и Чарльз Лернед стремились первыми успешно заменить жидкость в геле газом, сохранив структуру геля нетронутой. В конце концов Кистлер победил, когда изготовил первый аэрогель.

В зависимости от веществ, используемых для их изготовления, аэрогели могут проявлять удивительные свойства. Они пожаробезопасны и могут поглощать как воду, так и масло. Они невероятно прочные, учитывая их легкий вес. Они также могут быть как отличными электрическими проводниками, так и одними из лучших изоляторов в мире.

Если вам интересно, почему вы ничего не слышали об аэрогелях, то это потому, что они, как правило, используются только в ограниченных целях, потому что их производство невероятно дорого. Некоторые аэрогели стоят до 23 000 долларов за фунт, что соперничает со стоимостью золота.

Аэрогель начинался как алкогель, представляющий собой силикагель, состоящий из спирта. Алкогель должен пройти научный процесс, известный как сверхкритическая сушка, для получения аэрогеля. Используя давление и тепло, алкогель превращается в легкое твердое вещество, состоящее из кремнезема с воздухом, где когда-то была жидкость.

Существует три основных типа аэрогелей: диоксид кремния, углерод и оксид металла. Кремнеземные аэрогели являются наиболее распространенными. Углеродные аэрогели могут проводить электричество и используются в суперконденсаторах и топливных элементах. Аэрогели оксидов металлов могут быть магнитными и используются в качестве катализаторов химических превращений, а также для изготовления взрывчатых веществ и углеродных нанотрубок.

Аэрогели нашли интересное применение на Земле и в космосе. НАСА использовало аэрогели для изоляции электрооборудования на космических кораблях и для сбора космической пыли с комет. Вернувшись на Землю, вы можете найти аэрогели в самых разных продуктах, включая гидрокостюмы, пожарные костюмы, косметику, краски, окна и световые люки.

Использование аэрогелей в будущем ограничено только стоимостью их производства. Их уникальная структура делает их одними из лучших когда-либо созданных изоляторов, потому что их многочисленные воздушные карманы почти полностью предотвращают потери тепла в результате конвекции, теплопроводности и излучения.

Будете ли вы ученым, разработавшим новый экономичный метод производства аэрогелей? Если да, то для каких целей аэрогели будут использоваться в будущем?

Интересно, что дальше?

Не говорите, что мы вас не предупреждали. Завтрашнее Чудо Дня — наше самое страшное!

Попробуйте

Готовы узнать больше об аэрогеле? Не забудьте изучить следующие виды деятельности с другом или членом семьи:

• Озадачены аэрогелем? Посетите онлайн-галерею аэрогелей, чтобы увидеть фотографии различных типов аэрогелей и их применения. Вы понимаете, почему его иногда называют «замороженным дымом»? Какое прозвище вы бы дали аэрогелю?
• Хотя аэрогель можно использовать во многих областях, возможно, одним из самых интересных является использование аэрогеля НАСА для улавливания космической пыли. Посмотрите онлайн-версию Catching Comet Dust, чтобы узнать больше о том, как НАСА использовало это удивительное вещество в своих миссиях по сбору космической пыли в надежде, что оно поможет ученым узнать больше о происхождении Вселенной.
• Насколько легким может стать аэрогель? Прочтите о графеновом аэрогеле онлайн, чтобы узнать больше о новом типе аэрогеля, изобретенном китайцами. Это новое вещество в семь раз легче воздуха. Насколько это светло? Кубический дюйм графенового аэрогеля можно сбалансировать на одной травинке! Как вы думаете, для каких целей может быть использовано такое удивительно легкое вещество?

Wonder Sources

• http://science.howstuffworks.com/aerogel.htm
• https://www.nasa.gov/topics/technology/features/aerogels.html
• http://www. aerogel.org/?p=3

Получили?

Проверьте свои знания

Wonder Contributors

Благодарим:

София
за ответы на вопросы по сегодняшней теме Wonder!

Удивляйтесь вместе с нами!

Что вас интересует?

Wonder Words

• твердый
• газ
• гель
• топливо
• пыль
• комета
• катализатор
• пожаробезопасный
• магнитный
• желатин
• конструкция
• электрический
• проводник
• изолятор
• дорогой
• полупрозрачный
• суперконденсатор
• преобразование

Примите участие в конкурсе Wonder Word

Оцените это чудо

Поделись этим чудом

×

ПОЛУЧАЙТЕ СВОЕ ЧУДО ЕЖЕДНЕВНО

Подпишитесь на Wonderopolis и получайте
Wonder of the Day® по электронной почте или SMS

Присоединяйтесь к Buzz

Не пропустите наши специальные предложения, подарки и рекламные акции.