Категория: Строительный материалы
Аэрогель
Что такое аэрогели
Аэрогели — это разнообразный класс пористых твердых материалов, которые демонстрируют сверхъестественный набор экстремальных свойств материалов. В частности, аэрогели известны своей чрезвычайно низкой плотностью (которая варьируется от 0,0011 до ~0,5 г см -3 ). Фактически, твердые материалы с самой низкой плотностью, которые когда-либо были получены, — это все аэрогели, включая аэрогель кремния, который в момент производства был всего в три раза тяжелее воздуха и мог быть сделан легче воздуха, если откачать воздух из его пор. При этом аэрогели обычно имеют плотность 0,020 г см -3 или выше (примерно в 15 раз тяжелее воздуха). Но даже при такой плотности потребовалось бы 150 кусочков аэрогеля размером с кирпич, чтобы весить столько же, сколько один галлон воды! А если бы Давид Микеланджело был сделан из аэрогеля с плотностью 0,020 г см -3 , он весил бы всего около 4 фунтов (2 кг)! Обычно аэрогели на 95–99% состоят из воздуха (или другого газа) по объему, а аэрогель самой низкой плотности, когда-либо произведенный, содержит 99,98% воздуха по объему.
По сути, аэрогель — это сухая, малоплотная, пористая, твердая структура геля (часть геля, которая придает гелю его твердоподобную связность), изолированная в целости от жидкого компонента геля (часть, которая составляет большую часть объема геля). Аэрогели являются открытопористыми (то есть газ в аэрогеле не заперт внутри твердых карманов) и имеют поры в диапазоне от <1 до 100 нанометров (миллиардных долей метра) в диаметре и обычно <20 нм.
Аэрогели — это сухие материалы (в отличие от «обычных» гелей, о которых вы могли бы подумать, которые обычно влажные, как желатиновый десерт). Слово аэрогель относится к тому факту, что аэрогели получены из гелей — фактически твердой структуры влажного геля, только с газом или вакуумом в порах вместо жидкости. Узнайте больше о гелях , аэрогелях и о том, как изготавливаются аэрогели .
Техническое определение Аэрогелей
По определению,
Аэрогель — это открытоячеистая, мезопористая, твердая пена, состоящая из сети взаимосвязанных наноструктур и имеющая пористость (нетвердый объем) не менее 50%.
Термин «мезопористый» относится к материалу, содержащему поры диаметром от 2 до 50 нм.
В общем, большинство пор в аэрогеле попадают в этот диапазон размеров. На практике большинство аэрогелей демонстрируют пористость где-то между 90 и 99,8+%, а также содержат значительное количество микропористости (поры диаметром менее 2 нм).
Из чего сделаны аэрогели?
Термин «аэрогель» относится не к конкретному веществу, а скорее к геометрии, которую может принять вещество — так же, как скульптуру можно сделать из глины, пластика, папье-маше и т. д., аэрогели можно изготавливать из самых разных веществ, включая:
- Кремний
- Большинство оксидов переходных металлов (например, оксид железа )
- Большинство оксидов лантаноидов и актинидов (например, оксид празеодима)
- Несколько основных групп оксидов металлов (например, оксид олова)
- Органические полимеры (такие как резорцин-формальдегид, фенол-формальдегид, полиакрилаты, полистиролы, полиуретаны и эпоксидные смолы)
- Биологические полимеры (такие как желатин, пектин и агар-агар)
- Полупроводниковые наноструктуры (например, квантовые точки селенида кадмия)
- Углерод
- Углеродные нанотрубки
- Металлы (такие как медь и золото)
Также регулярно готовятся аэрогелевые композиты, например, аэрогели, армированные полимерными покрытиями , или аэрогели, содержащие магнитные наночастицы.
:
Особые свойства аэрогелей
Многие аэрогели могут похвастаться сочетанием впечатляющих свойств материалов, которыми одновременно не обладают никакие другие материалы. Определенные формулы аэрогелей удерживают рекорды по самой низкой насыпной плотности среди всех известных материалов (всего 0,0011 г см -3 ), самой низкой длине свободного пути диффузии среди всех твердых материалов, самой высокой удельной площади поверхности среди всех монолитных (не порошковых) материалов (до 3200 м 2 г -1 ), самой низкой диэлектрической проницаемости среди всех твердых материалов и самой низкой скорости звука через все твердые материалы. Важно отметить, что не все аэрогели обладают рекордными свойствами (на самом деле большинство из них не обладают, хотя у них могут быть очень хорошие значения для многих свойств)!
Адаптируя производственный процесс, можно регулировать многие свойства аэрогеля. Насыпная плотность является хорошим примером этого, регулируемым просто путем создания более или менее концентрированного геля-предшественника. Теплопроводность аэрогеля также может быть скорректирована таким же образом, поскольку теплопроводность связана с плотностью. Обычно аэрогели демонстрируют насыпную плотность в диапазоне от 0,5 до 0,01 г см -3 и площадь поверхности в диапазоне от 100 до 1000 м 2 г -1 , в зависимости, конечно, от состава аэрогеля и плотности геля-предшественника, используемого для изготовления аэрогеля. Другие свойства, такие как прозрачность, цвет, механическая прочность и восприимчивость к воде, зависят в первую очередь от состава аэрогеля.
Например, аэрогели на основе кремния, которые являются наиболее широко исследованным типом аэрогеля (и типом, который люди обычно видят на фотографиях), обычно прозрачны с характерным синим оттенком из-за рэлеевского рассеяния коротких длин волн света на наночастицах, составляющих каркас аэрогеля. Углеродные аэрогели, с другой стороны, полностью непрозрачны и имеют черный цвет. Кроме того, аэрогели на основе оксида железа едва просвечивают и могут быть как ржавого, так и желтого цвета. В качестве другого примера, неорганические аэрогели низкой плотности (<0,1 г см -3 ) являются как превосходными теплоизоляторами, так и превосходными диэлектрическими материалами (электроизоляторами), тогда как большинство углеродных аэрогелей являются как хорошими теплоизоляторами, так и электрическими проводниками. Таким образом, можно видеть, что, регулируя параметры обработки и исследуя новые составы, мы можем создавать материалы с универсальным набором свойств и возможностей.
