Аэрогель: материал, который почти ничего не весит, но выдерживает огромную нагрузку

Он похож на кусочек застывшего дыма, выглядит почти прозрачным и кажется слишком лёгким, чтобы быть настоящим твёрдым телом. Однако этот материал способен замедлять быстрые частицы, защищать оборудование от холода и выдерживать значительную нагрузку при правильном её распределении.

Речь идёт об аэрогеле — необычном классе сверхлёгких пористых материалов. Некоторые образцы более чем на 99 процентов состоят из воздуха, но при этом сохраняют форму и остаются твёрдыми.

Аэрогель часто называют самым лёгким твёрдым материалом или лучшим теплоизолятором. Такие определения нуждаются в уточнении: существует множество разновидностей аэрогелей, и их свойства сильно различаются.

Одни образцы почти прозрачны и очень хрупки, другие усиливаются полимерами и становятся гибкими, третьи изготавливаются из углерода и применяются в аккумуляторах. Поэтому аэрогель — не одно вещество, а целое семейство материалов.

Что такое аэрогель

Обычный гель состоит из твёрдого пространственного каркаса, поры которого заполнены жидкостью. Примером может служить желе, хотя промышленные гели имеют совершенно другой химический состав.

Чтобы получить аэрогель, жидкость необходимо удалить, не разрушив тонкую внутреннюю структуру. После специальной сушки её место занимает газ, а микроскопический твёрдый каркас сохраняется.

В результате образуется сухой пористый материал с очень низкой плотностью. Он не мягкий и влажный, как бытовой гель, а твёрдый и лёгкий.

Наиболее известны кремнезёмные аэрогели, основу которых составляет диоксид кремния — тот же химический компонент, который присутствует в обычном стекле.

Но аэрогели также производят из:

• углеродных соединений;
• оксидов металлов;
• полимеров;
• целлюлозы;
• графена;
• других органических и неорганических материалов.

Состав определяет цвет, прочность, электропроводность, температурную устойчивость и другие характеристики готового продукта.

Почему обычное высушивание не подходит

Если оставить гель высыхать естественным способом, испаряющаяся жидкость начнёт стягивать его микроскопические поры. Капиллярные силы повредят внутренний каркас, и материал уменьшится в объёме или разрушится.

Для получения классического аэрогеля часто используют сверхкритическую сушку. Жидкость переводят в состояние, при котором исчезает чёткая граница между жидкой и газообразной фазами.

Благодаря этому растворитель удаётся удалить без сильного поверхностного натяжения, способного смять пористую структуру.

Существуют и другие технологии, включая сушку при обычном давлении и сублимационную сушку. Выбор метода зависит от состава материала, требуемых характеристик и стоимости производства.

Именно сложность удаления жидкости долгое время делала аэрогели дорогими лабораторными материалами. Современные процессы постепенно становятся безопаснее и доступнее, но производство качественных крупных монолитов по-прежнему остаётся сложной задачей.

Кто создал первый аэрогель

Первые аэрогели получил американский химик Сэмюэл Кистлер в начале 1930-х годов.

По известной истории, он пытался доказать, что жидкость внутри геля можно заменить газом без заметного уменьшения его объёма. Обычное испарение разрушало структуру, поэтому Кистлер применил сушку в специальных условиях.

Эксперимент оказался успешным. Исследователь получил твёрдый материал, сохранявший форму исходного геля, но наполненный воздухом вместо жидкости.

Первоначально открытие не получило широкого промышленного распространения. Производство было дорогим, а используемые технологии — сложными и потенциально опасными.

Интерес к аэрогелям значительно вырос позднее, когда появились более совершенные методы изготовления и новые сферы применения.

Почему аэрогель почти ничего не весит

Основную часть объёма аэрогеля занимают поры, заполненные газом. Твёрдый каркас представляет собой разветвлённую сеть соединённых частиц или волокон.

У некоторых разновидностей доля воздуха достигает 99 процентов и более. Поэтому небольшой образец может весить всего несколько граммов.

Однако выражение «состоит из воздуха» не означает, что материал представляет собой обычную губку с крупными отверстиями. Поры многих аэрогелей измеряются нанометрами — миллиардными долями метра.

Такая структура одновременно уменьшает массу и затрудняет перенос тепла. Молекулы газа сталкиваются со стенками крошечных пор и не могут свободно переносить энергию.

Твёрдого вещества в материале тоже очень мало, поэтому передача тепла через сам каркас ограничена.

Правда ли, что он выдерживает вес в тысячи раз больше собственного

Некоторые образцы аэрогеля действительно способны выдержать равномерно распределённую нагрузку, в тысячи раз превышающую их собственную массу.

Но это утверждение легко понять неправильно. Отношение нагрузки к собственной массе не показывает абсолютную прочность материала.

Если образец весит один грамм и удерживает груз массой два килограмма, нагрузка в две тысячи раз превышает его вес. Это впечатляющее соотношение, но до массы автомобиля ещё очень далеко.

Кроме того, результат зависит от:

• состава аэрогеля;
• плотности и размеров образца;
• наличия внутренних трещин;
• площади соприкосновения с грузом;
• направления приложения силы;
• скорости увеличения нагрузки.

Классический кремнезёмный аэрогель хорошо переносит плавное равномерное сжатие, но плохо сопротивляется изгибу, удару и сосредоточенной точечной нагрузке.

Как материал может быть прочным и хрупким одновременно

Слова «прочный» и «хрупкий» описывают разные свойства. Материал может выдерживать значительную сжимающую нагрузку, но легко трескаться при ударе.

Подобным образом ведёт себя стекло. Оно способно выдерживать большое давление при правильном распределении силы, но небольшая царапина или резкий удар могут вызвать разрушение.

В аэрогеле нагрузка передаётся через тончайшие элементы внутреннего каркаса. При равномерном сжатии они распределяют усилие по всему объёму.

Если же сила сосредоточена в одной точке, отдельные связи разрушаются. Трещина быстро распространяется по хрупкой структуре, и образец крошится.

Поэтому фотография кирпича, лежащего на аэрогеле, не означает, что этим материалом можно напрямую заменить стальную балку.

Для строительных и инженерных применений аэрогель обычно соединяют с волокнами, полимерами или другими материалами, повышающими его устойчивость к повреждениям.

Почему аэрогель хорошо сохраняет тепло

Высокие теплоизоляционные свойства — одно из главных практических преимуществ аэрогеля.

Тепло передаётся тремя основными способами:

• через непосредственный контакт частиц;
• движением газа или жидкости;
• тепловым излучением.

В аэрогеле крайне мало твёрдого вещества, поэтому передача тепла через каркас ограничена. Нанопоры мешают движению газа и почти устраняют конвекцию внутри материала.

Для уменьшения теплового излучения в состав некоторых изоляторов добавляют специальные частицы.

В результате тонкий слой аэрогелевой изоляции может обеспечивать такую же защиту от теплопотерь, как значительно более толстый слой традиционного материала.

Но точные характеристики зависят от температуры, давления, влажности и состава конкретного аэрогеля. Нельзя утверждать, что любой его вид является одинаково эффективным изолятором.

Почему аэрогель выглядит голубым

Кремнезёмный аэрогель часто имеет полупрозрачный голубоватый оттенок. Он возникает из-за рассеяния света на мельчайших элементах структуры.

Короткие голубые волны видимого света рассеиваются сильнее длинных красных. Похожий процесс придаёт голубой цвет земному небу.

Если смотреть сквозь более толстый слой аэрогеля, проходящий свет может казаться желтоватым или оранжевым, поскольку часть голубого излучения рассеивается в стороны.

Именно необычный внешний вид стал причиной названий «замороженный дым», «твёрдое облако» и «голубой дым».

Но не все аэрогели прозрачны. Углеродные разновидности обычно имеют тёмный цвет, а добавление различных веществ может полностью изменить оптические свойства.

Как аэрогель применяли в космосе

Космические аппараты должны выдерживать резкие перепады температуры, но каждый лишний килограмм увеличивает стоимость запуска. Поэтому лёгкий теплоизолятор представляет большую ценность.

Аэрогель использовался для защиты электронного оборудования марсохода Sojourner миссии Mars Pathfinder. Он помогал сохранять тепло во время холодных марсианских ночей.

Одно из самых необычных применений связано с аппаратом Stardust. Его задачей был сбор частиц кометы Вильда 2 и межзвёздной пыли.

Частицы двигались с огромной скоростью. Обычная твёрдая поверхность разрушила бы их при столкновении. Слой аэрогеля постепенно замедлял частицы, оставляя характерные следы и сохраняя материал для последующего исследования.

Капсула Stardust вернулась на Землю в 2006 году, доставив образцы кометного вещества.

Где аэрогель используется на Земле

Главной коммерческой сферой применения стала теплоизоляция. Чаще всего используется не хрупкий прозрачный блок, а гибкое полотно, в котором частицы аэрогеля соединены с волокнистой основой.

Такими материалами изолируют:

• промышленные трубопроводы;
• нефтегазовое оборудование;
• криогенные установки;
• здания и сооружения;
• аккумуляторные системы;
• транспортные компоненты;
• оборудование, работающее при высокой температуре.

Тонкая аэрогелевая изоляция полезна там, где пространство ограничено и невозможно установить толстый слой обычного утеплителя.

Гранулы аэрогеля могут размещаться между прозрачными панелями. Такая конструкция пропускает рассеянный дневной свет и одновременно уменьшает потери тепла.

Углеродные аэрогели исследуются для использования в электродах аккумуляторов и суперконденсаторов. Большая внутренняя поверхность пористого материала помогает протеканию электрохимических процессов.

Аэрогель и тушение разливов нефти

Некоторые углеродные и полимерные аэрогели способны впитывать масла и органические жидкости. При этом специально обработанная поверхность может отталкивать воду.

Такой материал рассматривается как средство сбора нефтепродуктов с поверхности воды. После поглощения жидкость можно удалить, а в некоторых случаях сорбент использовать повторно.

Однако лабораторная способность впитывать большой объём масла ещё не гарантирует экономическую эффективность при крупной аварии.

Необходимо учитывать стоимость производства, возможность многократного применения, сбор насыщенного материала и его дальнейшую переработку.

Поэтому аэрогели не заменили традиционные методы ликвидации разливов, но остаются перспективным направлением исследований.

Чем аэрогель отличается от металлической микрорешётки

В публикациях о сверхлёгких материалах аэрогель часто смешивают с металлическими микрорешётками. Внешне их свойства могут казаться похожими, но структура и назначение различаются.

Аэрогель образуется из геля и состоит из беспорядочной сети очень мелких пор. Металлическая микрорешётка представляет собой специально спроектированную систему соединённых полых трубок.

Один из известных вариантов микрорешётки имел плотность около 0,9 миллиграмма на кубический сантиметр и состоял в основном из воздуха. После сильного сжатия структура могла частично восстанавливать форму.

Главное преимущество микрорешётки заключается не только в составе, но и в тщательно рассчитанной геометрии. Она напоминает уменьшенную до микроскопического масштаба пространственную ферму.

Аэрогель ценится прежде всего за теплоизоляцию и большую внутреннюю поверхность, а микрорешётка — за малую массу, упругость и способность поглощать энергию.

Почему аэрогелем пока не строят дома и самолёты

Небольшая плотность не делает материал автоматически подходящим для несущих конструкций.

Классические кремнезёмные аэрогели имеют несколько ограничений:

• они хрупкие;
• могут крошиться и образовывать пыль;
• плохо переносят ударные нагрузки;
• производство крупных деталей остаётся сложным;
• стоимость выше, чем у многих обычных утеплителей;
• некоторые виды требуют защиты от влаги.

Поэтому аэрогель чаще используется как функциональная добавка или слой изоляции, а не как самостоятельная стена, балка или корпус самолёта.

Современные композитные аэрогели значительно прочнее. Полимерное армирование, волокнистые основы и химическое сшивание позволяют создавать гибкие и обрабатываемые материалы.

Но повышение прочности обычно увеличивает плотность и теплопроводность. Инженерам приходится искать равновесие между массой, долговечностью, изоляционными свойствами и ценой.

Какие аэрогели разрабатываются сегодня

Исследователи создают аэрогели из целлюлозы, хитина и других возобновляемых материалов. Их рассматривают как возможную более экологичную альтернативу традиционным синтетическим изоляторам.

Графеновые и углеродные аэрогели сочетают малую массу с электропроводностью и большой площадью внутренней поверхности. Они могут использоваться в датчиках, накопителях энергии и системах очистки.

Полимерные аэрогели способны быть гибкими и более устойчивыми к механическим повреждениям. Некоторые из них рассматриваются для авиационных и космических конструкций.

Разрабатываются также огнестойкие разновидности, материалы для фильтрации воды и воздуха, а также аэрогели, способные поглощать углекислый газ.

Но свойства лабораторного образца не всегда удаётся сохранить при массовом производстве. Материал должен быть не только эффективным, но и доступным, безопасным и долговечным.

Почему фраза «прочнее стали» вводит в заблуждение

Сравнивать аэрогель со сталью только по отношению выдерживаемой нагрузки к собственной массе неправильно.

Сталь имеет намного большую абсолютную прочность и лучше переносит удар, растяжение и изгиб. Аэрогель выигрывает по плотности и в некоторых случаях по удельным характеристикам.

У каждого материала есть разные показатели:

• прочность при сжатии;
• прочность при растяжении;
• жёсткость;
• ударная вязкость;
• устойчивость к трещинам;
• долговечность;
• удельная прочность относительно массы.

Материал может показывать превосходный результат в одном испытании и быть слабым в другом. Поэтому заявления о «самом прочном материале» без указания конкретного показателя почти всегда являются упрощением.

Материал, в котором важна пустота

Уникальность аэрогеля заключается не в неизвестном химическом элементе, а в устройстве его внутренней структуры.

Обычный диоксид кремния превращается в необычайно лёгкий изолятор, когда формирует тонкий каркас с огромным количеством нанометровых пор. Большую часть объёма занимает пустое пространство, но именно расположение оставшегося вещества определяет свойства материала.

Аэрогель действительно способен выдерживать нагрузку, многократно превосходящую его собственный вес. Но он не является невесомой заменой стали и не может в любом виде удерживать автомобиль.

Его настоящие преимущества — малая плотность, низкая теплопроводность, большая внутренняя поверхность и возможность изменять свойства за счёт состава и структуры.

Этот материал показывает важный принцип современной инженерии: иногда для получения новых свойств нужно не добавлять больше вещества, а научиться правильно размещать то небольшое количество, которое уже есть.