html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Когда воздух кажется тяжелым

В марте текущего года многочисленные технические СМИ опубликовали сенсационную новость: ученые из Чжэцзянского университета в Ханчжоу получили наилегчайший материал в мире — аэрогель на основе графена, кубический сантиметр которого весит всего 0,16 мг. Но это же в семь с половиной раз легче воздуха! Здесь явно какой-то подвох — может ли твердое вещество однородной структуры быть столь легким?

Аэрогель — это странный, очень странный материал. У него нет практически ни одного свойства, в которое можно сразу, без доказательств поверить. Лишь подержав брусок аэрогеля в руках или хотя бы посмотрев видеозаписи, где это делает кто-либо другой, начинаешь понимать: похоже, это правда. Являясь твердым материалом, он на 99,8% состоит из воздуха и при этом способен выдерживать вес, превышающий его собственный в 4000 раз (!), что говорит о нечеловеческой прочности.

Аэрогели огнеупорны, воздухопроницаемы, способны впитывать воду или масло, могут — в зависимости от материала изготовления — служить электрическим проводником или не менее эффективным изоляционным материалом. Тем не менее, несмотря на то что изобрели аэрогель почти сто лет назад, сфера его применения на данный момент ограничена. В первую очередь это связано с очень высокой ценой.

Себестоимость исходных материалов для аэрогеля составляет порядка $1000 за кубический сантиметр, и это не считая серьезных временных затрат. А время, как известно, это самый дорогостоящий ресурс. Так или иначе, на сегодняшний день аэрогель значительно дороже золота. Второй недостаток — чрезмерно малая пластичность, то есть аэрогели очень хрупкие. Они выдержат давление, но не удар.

Аэрогель на кухне?

В принципе, изготовить аэрогель в домашних условиях можно. Но это будет очень дорого, сложно, и с высокой долей вероятности результат окажется несколько отличным от ожиданий. «Исходником» служит гель — материал (а точнее, дисперсная система), состоящий из двух компонентов — макромолекулярной сетки и низкомолекулярного растворителя, заполняющего поры сетки. «Наполнителем» может служить вода, спирт, углеводороды, а структурой — диоксид кремния, оксид алюминия, желатин и т. д. В аэрогеле же жидкий наполнитель заменяется воздухом, и получается пористая структура.

Первый аэрогель был получен из так называемого алкогеля — силикагеля (структуры, образованной растворами кремниевых кислот), поры которого были заполнены спиртом. Казалось бы, что может быть проще, достаточно извлечь жидкую составляющую и заменить газообразной. Но если провести такую операцию грубо, то структура «схлопнется» и деформируется. Поэтому получение аэрогеля предполагает определенные трудности.

Простейший способ, который использовал в 1920-х годах изобретатель аэрогеля Сэмюэл Кистлер, выглядит следующим образом. Сперва гель нагревается до критической точки — такой температуры и давления, при которой свойства жидкости и газа не различаются между собой. Затем давление понижается при сохранении критической температуры — при этом вещество сохраняет газообразное состояние.

Затем, второй ступенью, снижается и температура — спирта в структуре при этом слишком мало, чтобы он мог конденсироваться обратно в жидкость, и поры геля остаются наполненными газом (воздухом). В итоге мы получаем недеформированную структуру — аэрогель. Звучит несложно, но построить на кухне устройство для приведения геля к критической температуре, а тем более к давлению — задача не из тривиальных. Но, спешим заметить, это вполне возможно, и прецеденты есть.

Исходный продукт

Аэрогель можно сделать из значительного количества материалов — различных полимеров, металлов и т. д. Наиболее распространены в промышленности (если это можно назвать «распространением») три типа: на базе силикагелей, углеводородов и оксидов металлов. Чаще всего в экспериментах используют первый тип.

Силика-аэрогели выглядят воздушно-голубыми. Их окраска объясняется тем, что материал содержит большое количество частиц силики (оксида кремния) и заполненных воздухом или газом пор нанометровых размеров, которые рассеивают коротковолновое излучение (синий и фиолетовый) лучше, чем длинноволновое. То есть по той же самой причине, почему небо в ясный день имеет голубой оттенок: за счет рассеяния света на молекулах газов в атмосфере.

Аэрогели на основе углеродных гелей черные, напоминают и на вид, и на ощупь уголь, только очень легкий. Имея очень большую площадь поверхности и будучи хорошими проводниками, они могут использоваться для изготовления суперконденсаторов или топливных элементов.

Наконец, аэрогели на базе оксидов металлов используются в качестве катализаторов при химических реакциях, а также при производстве взрывчатых веществ, карбоновых нанотрубок и т. д. В отличие от силикогелевых и углеродных собратьев, металлические аэрогели могут быть разных цветов — в зависимости от используемого металла.

Что с этим делать?

Применяются аэрогели в достаточно широком спектре областей, но, так сказать, понемногу. Одна из основных отраслей, использующих подобные материалы, — космическая.

Например, в 1999 году агентство NASA запустило космический аппарат «Стардаст», созданный специально для исследования короткопериодической кометы 81P/Вильда. Пролетев около 4,8 млрд километров, «Стардаст» успешно достиг кометы, сделал ряд фотоснимков и, что очень важно, собрал частицы «звездной пыли» из комы (облака пыли и газа), окружающей комету.

Для сбора образцов как раз и использовался аэрогель, известный своими абсорбирующими качествами. 260 аэрогелевых параллелепипедов уловили значительное количество частиц и послужили «контейнерами», позволившими доставить «звездную пыль» на Землю в полной сохранности. В 2006 году «Стардаст» успешно вернулся, и ученые впервые за много лет получили образцы космического вещества — причем не какого-то, а из «окружения» кометы; анализ полученных образцов стал еще одной вехой в исследовании космоса.

В принципе, в качестве ловушки можно было использовать и другие вещества, но ничто не могло сравниться с аэрогелем по сочетанию «малая масса — высокая адсорбирующая способность».

Конечно, не космосом единым жив человек. Для нас значительно более важно не исследовательское, а прикладное применение того или иного изобретения. Интересно, что на ранних стадиях аэрогели пытались применять практически во всех сферах человеческого существования — от косметики до взрывчатки, от сигарет до холодильников.

В 1940-х годах Сэмюэл Кистлер подписал контракт с компанией Monsanto, которая производила и продавала этот материал под торговой маркой Santocel. Содержание воздуха в «сантоселе» составляло порядка 94%. В первую очередь «сантосель» рекламировался как изоляционный материал для пожароопасных производств, поскольку был негорючим и очень легким.

Его абсорбирующие свойства позволяли использовать его в качестве загустителя в напалмовых бомбах, также он использовался при производстве лакокрасочной продукции и т. д. В течение четверти века Monsanto была единственным производителем аэрогелей в мире, но в 1970-х годах и она свернула производство странного вещества. Слишком мал был спрос, и слишком дорогим и опасным оставалось производство.

Но в 1980-х годах ученые разработали ряд более простых способов получения аэрогеля. Спирт был заменен диоксидом углерода, а применение в технологии изготовления силикагелей алкоголятов кремния снизило токсичность и повысило скорость производства. Аэрогель снова приобрел коммерческую ценность и получил второй шанс.

Ныне аэрогели применяются в различных отраслях промышленности, например при производстве силикона и строительных материалов. Аэрогель можно встретить в красках, косметике, водонепроницаемых и огнеупорных тканях, в ядерной отрасли. Но основное употребление он нашел в сфере изоляционных материалов.

В частности, это идеальный огнеупорный материал, позволяющий увеличить пожарную безопасность зданий, а также теплоизоляционная структура для труднодоступных участков (скажем, оконные щели в точках открывания). Да, стоимость его высока, но при грамотном использовании в определенных местах она выходит даже меньше, нежели при применении традиционных методов. Если в ближайшее время будут разработаны новые, более дешевые методики производства аэрогеля и его стоимость упадет, аэрогель вполне может стать товаром широкого потребления. Как алюминий, нейлон или дерево.

Вперед в будущее

Исследование аэрогелей продолжается. Перед учеными стоит целый ряд задач: сделать материал прочнее, дешевле, а также обезопасить его производство. В 2002 году профессор Николас Левентис из Университета науки и технологий штата Миссури объявил о том, что разработал метод производства нехрупкого аэрогеля (раньше хрупкость была одной из основных проблем материала).

Вещества, созданные по методике Левентиса, получили наименование X-аэрогели — они более прочные и эластичные, но, с другой стороны, их производство весьма опасно и занимает больше времени. Ухудшились и изоляционные свойства. X-аэрогели могут найти применение в сфере производства брони, автомобильных шин, самолетов. Углеродные аэрогели можно применять для создания суперконденсаторов и топливных элементов.

Современная наука чаще всего базируется на исследованиях, которые проводятся в хорошо оборудованных лабораториях целыми институтами. Аэрогелем, как ни странно, может заниматься и ученый-одиночка — необходимое оборудование сравнительно доступно. Это открывает достаточно широкие возможности для исследований. В интернете можно найти целые сайты, посвященные методике и рецептам по изготовлению аэрогелей.

Но мы, кажется, так и не ответили на два важных вопроса, заданных в начале материала: действительно ли аэрогель может быть легче воздуха и почему китайский графеновый аэрогель стал сенсацией. Плотность различных аэрогелей обычно варьируется в пределах от 0,001 до 0,5 г/см3 (чаще всего порядка 0,02 г/см3) а плотность воздуха — 0,001225 г/см3.

То есть аэрогель действительно может быть немного легче воздуха — такой эффект достигается удалением воздуха из пор и замещением его газом, более легким, чем воздух. Китайские же ученые поставили рекорд, добившись плотности 0,00016 г/см3. Предыдущий рекорд сверхмалой плотности принадлежал материалу под названием аэрографит, созданному год назад немецкими учеными, — его плотность составляла 0,0002 г/см3.

Основное достижение китайцев не только в разработке нового метода получения аэрогеля и установлении рекорда, но и в отличных свойствах графенового аэрогеля: он удивительно эластичен (восстанавливается после 90%-ного сжатия) и способен абсорбировать количество жидкости (масла), в 900 раз превышающее его собственную массу. Вполне вероятно, новое вещество станет великолепным улавливателем океанического мусора и, что немаловажно, загрязняющих воду веществ, например нефти.

В общем, широкое практическое применение аэрогелей в повседневной жизни, как говорится, на носу. Правда, пока совершенно непонятны размеры этого носа.

Сделай сам

На сайте aerogel.org приведена пошаговая инструкция по изготовлению установки для сверхкритической сушки — того самого устройства, которое позволит получать аэрогели в домашних условиях, а также целый ряд инструкций по созданию аэрогелей различных типов.

Сверхкритическая сушка

(каждый абзац поочередно относится к изображенным слева кубам в цепном порядке, как на картинке)

— Высокотемпературный процесс начинается с того, что берется твердый гель (изготовленный с использованием, например, алкоголятов кремния), катализатор и водный раствор спирта.

— Для удаления избытка воды гель несколько раз замачивают в спирте.

— Затем гель под давлением помещают в контейнер со спиртом и доводят до критической точки путем повышения температуры и давления.

— По прохождении критической точки вещество приобретает одновременно свойства жидкости и газа. Затем давление постепенно понижается при сохранении постоянной температуры. Флюиды в газообразной форме выходят из вещества.

— Во время охлаждения частицы диоксида кремния образуют твердую структуру. Оставшегося спирта в газообразной форме слишком мало, чтобы конденсироваться обратно в жидкость, — он остается в нанопорах в качестве газа. Остаточный газ выводится из аэрогеля с помощью вентиляции.

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с popmech.ru

4

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • popmech.ru
          • космос
          • кухня
          • самолет
          • цветы
          • сми
          • нефть
          • ученые
          • лето
          • рецепты
          • университет
          • газ
          • облака
          • золото
          • безопасность
          • исследования
          • косметика
          • силикон
          • изобретения
          • деревья
          • эксперименты
          • дороги
          • бомба
          • промышленность
          • руки
          • рекорд
          • небо
          • вода
          • домен popmech.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции