Аэрогель – весьма необычное творение человеческих рук, материал, удостоенный за свои уникальные качества 15 позициями в книге рекордов Гиннеса.

Название «аэрогель» произошло от двух латинских слов aer - воздух и gelatus - замороженный.
Поэтому аэрогель часто называют «замороженным дымом». Впрочем, по внешнему виду аэрогель действительно напоминает застывший дым. Аэрогель представляет собой необычный гель, в котором отсутствует жидкая фаза, полностью замещенная газообразной, вследствие чего вещество обладает
рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью и т.д. Аэрогель удивителен еще и тем, что на 99.8% состоит из… воздуха!

История появления аэрогеля до сих пор выяснена не до конца. Известно лишь, что первым его получил американский учёный Сэмюэль Кистлер в конце двадцатых или в тридцатом году прошлого века в Тихоокеанском колледже в Стоктоне (штат Калифорния). Получил, как это порой бывает, в научных
изысканиях, почти случайно, в качестве побочного продукта кристаллизации аминокислот в суперкритических супернасыщенных жидкостях. Ученый добился получения аэрогеля, заменяя жидкость в обычном геле метанолом. После этого гель нагревался под высоким давлением до 240 градусов (критическая температура для метанола). В этот момент газообразный метанол уходил из геля, но обезвоженная пена не уменьшалась в объеме. В итоге образовывался легкий мелкопористый материал, названный в последствие аэрогелем.

По структуре аэрогели представляют собой
древовидную сеть из объединенных в однородные группы (кластеры) частиц
размером 2-5 нанометров и пор, заполненных воздухом, размерами до 100
нанометров. Внешне аэрогель больше всего похож на прозрачную или
полупрозрачную застывшую мыльную пену. При взгляде невооруженным глазом,
аэрогель представляется сплошным однородным веществом, что выгодно
отличает его от таких пористых сред как различные пены. На ощупь
аэрогель также напоминает застывшую пену. Это достаточно прочный
материал – аэрогель способен выдержать нагрузку в 2000 раз больше
собственного веса. Например, небольшой блок аэрогеля весом 2.38 г.
легко противостоит массе кирпича в 2.5 кг! Кварцевые аэрогели являются
очень хорошим теплоизолятором.

Процесс
производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических
реакций, гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и
на выходе получается желеобразный продукт. Затем спиртом из желе
удаляется вода. Полное ее удаление – залог успешности всего процесса.
Следующий шаг – “суперкритическое” высыхание. Оно производится в
автоклаве при высоком давлении и температуре, в процессе участвует
сжиженный углекислый газ.

Прикладное использование
кварцевого аэрогеля, как материала для изоляции, началось в сороковых годах двадцатого века. Известная компания Monsanto выпускала этот продукт по лицензионному соглашению с Кистлером. Однако широкого распространения в силу дороговизны аэрогелевые теплоизоляторы не
получили, и в семидесятых годах производство было свернуто. Лишь в самом конце прошлого века аэрогели вновь начали широко использоваться человечеством, прежде всего в космической отрасли.

Именно аэрогель стал важнейшим элементом решетчатого улавливателя, при помощи которого космический зонд Stardust захватил миллионы крошечных частиц из хвоста кометы Wild 2 и доставил спускаемый аппарат с этими образцами на землю. Кстати сказать, среди многообразия уловленных зондом частиц были обнаружены следы глицина – важнейшей для образования белка аминокислоты. Ученым, разделяющим теорию о внеземном происхождении жизни, эта находка стала косвенным доказательством их правоты.

В качестве уникального
теплоизолятора аэрогель планируется использовать в космических
скафандрах американского производства, создаваемых для марсианского
проекта НАСА. Так же НАСА анонсировало применение аэрогеля в качестве
теплового щита новых моделей шаттла.

Перспективны
также аэрогели в микроэлектронике. Главным образом, благодаря тому,
что они обладают самыми низкими диэлектрическими константами.
Использование аэрогелей в качестве изоляционных слоев в многослойных
печатных платах позволит значительно повысить быстродействие
электроники.

В 2007 году американские химики
презентовали созданные ими аэрогели, которые могут служить фильтром для
очистки воды от вредных примесей, таких как ртуть, свинец и другие
ядовитые тяжелые металлы. Пока производство этих материалов достаточно
ограничено из-за высокой цены, т.к. в состав фильтров входит платина, но
когда ей будет найдена замена в виде более дешевого аналога,
очистителями нового образца можно будет избавить от тяжелых металлов
водоемы планеты.

Кроме этого новые аэрогели проявляют свойства полупроводников, следовательно, могут использоваться в фотоэлементах и других оптоэлектронных устройствах.

Кварцевый аэрогель, как уже говорилось, – уникальный теплоизолятор. Он выдерживает температуру до 500 градусов по Цельсию, а слоя толщиной 2,5см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от
прямого воздействия паяльной лампы. Существуют разновидности аэрогелей с температурой плавления до 1200 С. Свойства арогелей в немалой степени зависят от исходного материала, из которого их производят. Существуют аэрогели из глиноземов (с добавкой оксида алюминия), диоксида кремния, а
также оксида олова и хрома. Совсем недавно были получены аэрогели на основе углерода. Есть аэрогели, применяющиеся в качестве катализаторов. В настоящее врмя в НАСА идут испытания алюмооксидных аэрогелей, содержащих редкие элементы – гадолиний и тербий. Эти аэрогели
используются как детекторы высокоскоростных соударений. Некоторые прозрачные разновидности аэрогеля рассматриваются учеными в качестве замены оконному стеклу. Ведь коэффициент преломления у аэрогелей гораздо ниже, чем у стекла (1,05 против 1,5). Изначальную хрупкость этого
перспективного материала науке уже удалось преодолеть, сейчас доступен выпуск упругих и гибких аэрогелей. На повестке дня вопрос о снижении себестоимости производства до пределов, делающих использование в широких масштабах рентабельным. Аэрогели часто называют материалом 21 века. Так
ли это, мы скоро увидим.

Аэроге́ли (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и отсутствием водопоглощения.

Общий вид аэрогеля

Аэрогель уникален еще и тем, что на 99.8% состоит из… воздуха!

Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Аэрогель - весьма необычное творение человеческих рук, материал, удостоенный за свои уникальные качества 15 позициями в книге рекордов Гиннеса.

Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 % объёма. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.

На ощупь Аэрогели напоминают легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал — образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. Аэрогели, в особенности кварцевые — хорошие теплоизоляторы.

Кварцевые Аэрогели наиболее распространены, им также принадлежит текущий рекорд по самой малой плотности у твердых тел — 1,9 кг/м³, это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха.

Кварцевые Аэрогели также популярны благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (~0,017 Вт/(м.К) в воздухе при нормальном атмосферном давлении), меньшей, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м.К)).

Применение Аэрогеля

Аэрогели применяются в строительстве и в промышленности в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов для теплоизоляции стальных трубопроводов,различного оборудования с высоко- и низкотемпературными процессами, зданий и других объектов. Он выдерживает температуру до 650°C, а слоя толщиной 2,5 см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от прямого воздействия паяльной лампы.

Температура плавления кварцевого Аэрогеля составляет 1200°C.

Производство Аэрогеля

Процесс производства аэрогелей сложен и трудоемок. Сначала при помощи химических реакций гель полимеризуется. Эта операция занимает несколько суток и на выходе получается желеобразный продукт. Затем спиртом из желе удаляется вода. Полное ее удаление - залог успешности всего процесса. Следующий шаг - "суперкритическое" высыхание. Оно производится в автоклаве при высоком давлении и температуре, в процессе участвует сжиженный углекислый газ.

Первенство в изобретении аэрогеля признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшего в 1931 году в журнале Nature свои результаты.

Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240°C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не ужимаясь.

Раз уж было сказано об аэрогелях - вот некоторое развитие темы. Это перевод записи из блога человека, который делал силикатный аэрогель у себя в мастерской по рецепту с сайта.

Достать ТМОС довольно сложно, поскольку поставщики химической продукции очень неохотно продают что-либо физическим лицам.

Процесс изготовления аэрогеля:

1. Смешайте ТМОС, метанол и гидроксид аммония. Вылейте смесь в формы и дайте гелю застыть.
2. Погрузите гель в метанол и подождите день, пока оставшаяся в геле вода растворится в метаноле.
3. Вылейте использованный метанол и замените его чистым. Подождите ещё день и повторите процесс. Так нужно будет сделать несколько раз в течение трёх дней.
4. Переместите гель сверхкритическую сушильную камеру и наполните её метанолом.
5. Добавьте жидкий диоксид углерода, откройте сливной вентиль камеры и слейте метанол. Убедитесь, что кусочки геля всё время находятся в жидком CO2.
6. Подождите день, пока метанол растворится в жидком CO2.
7. Откройте сливной вентиль и вылейте ещё немного метанола, растворившегося в CO2.
8. Повторите процедуру слива метанола, но убедитесь, что гель всё время остаётся погруженным в жидкий CO2. Пару раз в течение 2-3 дней повторите слив/замену CO2.
9. Поднимите температуру в камере, чтобы CO2 стал сверхкритическим . Медленно откройте отдушину, продолжая нагревать камеру, чтобы CO2 перешёл из сверхкритического в газообразное состояние. Медленно выпустите весь CO2 из камеры, после чего извлеките из неё готовый аэрогель.

Из комментариев:

jstults написал...
Почему они так боятся продавать ТМОС отдельным людям?

Ben Krasnow написал...
jstults, большинство химических поставщиков не станут ничего продавать отдельным покупателям - вне зависимости от того, опасно вещество или нет. Несчастный случай или ненадлежащее использование химического препарата может привести к судебному иску и плохо сказаться на репутации поставщика, поэтому начальство многих компаний решило, что им выгоднее забыть о деньгах физических лиц, но избежать связанных с этим рисков. Плохая новость для тех, кто занимается наукой дома, но это вряд ли изменится. Лучшее, на что мы можем надеяться - это что хакерспейсы зарекомендуют себя достаточно хорошо, чтобы получить возможность заказывать химикалии для своих членов. Сейчас, подозреваю, многие хакерспейсы столкнутся с трудностями, пытаясь что-нибудь заказать у компаний вроде Sigma Aldrich.

Will Walker написал...
Привет, Бен -

Отличная работа с аэрогелями и документацией. Вот несколько хитростей, которые ты мог бы попробовать применить, чтобы трещин было меньше:

1. Доверху заполни сушилку MeOH перед тем как начнёшь нагнетать давление. Нужно убедиться, что когда ты поднимешь давление, гель будет полностью скрыт жидкостью.

2. Вначале спускай сжатый метанол по частям (20-30% за раз) с перерывами, прежде чем заменить чистым CO2. Смешение различных растворителей создаёт внутри геля перепад давления, когда чистый MeOH пытается испариться. Именно это в действительности - главный "таинственный" источник трещин.

3. Вопреки тому, что подсказывает интуиция, похоже, что термальное расширение, НЕ главная причина появления трещин в аэрогелях. Что и в самом деле существенно в этом случае - это скорость, с которой повышается и понижается давление. Также важно изначально замедлить замену MeOH на CO2, как это описано выше.

Аэрогель – это чрезвычайно легкий материал с очень малой плотностью и низкой теплопроводностью. Он полупрозрачен, но при этом довольно тверд на ощупь. Обычно аэрогели изготавливают при помощи процесса сверхкритической сушки, поэтому для самостоятельного приготовления аэрогеля вам придется построить аппарат для такой сушки. Есть способы приготовления аэрогелей и без использования такого аппарата, но они менее надежны, и материал получается более плотным. В этой статье вы найдете информацию об обоих методах приготовления аэрогеля.

Шаги

Часть 1

Взгляните на схему аппарата для сверхкритической сушки, приведенную выше. Ниже вы найдете инструкции по самостоятельной сборке такого аппарата.

• Схема взята со следующей веб-страницы: http://www.aerogel.org/wp-content/uploads/2009/02/manuclave-design2.jpg

1. Плотно подсоедините к Т-образному разводу из несвариваемой нержавеющей стали две муфты и клапаны из нержавеющей стали марки 316 или 304. Диаметр развода должен составлять 1,9 см (3/4 дюйма).

   • К двум плечам Т-образного развода необходимо подсоединить трубчатые заглушки (затворы).
   • При желании, вместо одной из заглушек можно установить смотровое окошко.
   • Ко дну Т-образного развода подсоедините шаровую задвижку, использовав при этом уплотняющую втулку размером 6,35 мм (1/4 дюйма).
   • К верхнему выходу прикрутите детали в следующем порядке: уплотнительную втулку 1,2 см (1/2 дюйма), ниппель 1,2 см (1/2 дюйма), и крестообразный патрубок также диаметром 1,2 см (1/2 дюйма).

2. Завершите сборку верхней части аппарата. Остальные клапаны и датчики будут подсоединены к этому второму патрубку.

   • К верхнему выходу патрубка подсоедините биметаллический термометр.
   • К левому плечу патрубка присоедините ниппель 6,35 мм на 1,2 см (1/4 дюйма на 1/2 дюйма). Прикрепите к нему шаровой затвор.
   • К правому плечу патрубка подсоедините еще один ниппель 6,35 мм на 1,2 см (1/4 дюйма на 1/2 дюйма). К нему прикрепите развод диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма) с манометром на верхней и предохранительным пружинным клапаном на нижней ветке.
   • К меньшему отверстию развода присоедините ниппель 6,35 мм (1/4 дюйма) с игольчатым клапаном.

3. Используйте правильные материалы. Предпочтительнее использовать нержавеющую сталь, поскольку она чиста, прочна и слабо подвержена коррозии.

   • Можно установить датчики с латунной резьбой и клапаны из углеродистой стали.
   • Не используйте муфты из латуни или углеродистой стали, и не включайте в конструкцию никаких деталей из материала, не способного выдержать давление 15 МПа (около 2.000 фунтов на квадратный дюйм).

4. Подсоедините к аппарату для сверхкритической сушки баллон с диоксидом углерода. Соединение должно не иметь течей и обеспечивать свободное поступление жидкого диоксида углерода в аппарат.

   • Схема подобного соединения приведена на следующей веб-странице: http://www.aerogel.org/wp-content/uploads/2009/02/gastank-1.jpg
   • Подсоедините баллон в такой последовательности: переходник CGA320 с наружной резьбой, тефлоновая прокладка, впускной ниппель, впускная муфта, переходная муфта 6,35 мм (1/4 дюйма) с внутренней резьбой для быстрого отсоединения, переходная муфта 6,35 мм (1/4 дюйма) с внешней резьбой для быстрого отсоединения, шланг высокого давления диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма) с внутренней резьбой в оплетке.
   • Ко второму концу шланга высокого давления подсоедините переходную муфту 6,35 мм (1/4 дюйма) с внутренней резьбой и переходную муфту 6,35 мм (1/4 дюйма) с внешней резьбой для быстрого отсоединения.
   • Последнюю муфту подсоедините ко входному шариковому клапану аппарата для сушки. Теперь все соединено.

   Часть 2

   Получение силиконового аэрогеля

   1. Разбавьте концентрированный едкий аммиак (гидроксид аммония). Разведите 4,86 г, или 5,4 мл концентрированного едкого аммиака в 1000 мл воды в стеклянной либо пластиковой бутылке.

      • Пометьте эту бутылку надписью "водный раствор едкого аммиака". Раствор можно хранить при комнатной температуре в запечатанной бутылке для последующего использования.

   2. Приготовьте раствор тетраметоксисилана с метанолом. Смешайте 10,2 г (10 мл) тетраметоксисилана с 7,82 г (10 мл) метанола в стеклянном химическом стакане. Перемешайте раствор.

      • Пометьте этот раствор как "алкоксидный раствор", или просто "раствор А".
      • Учтите, что тетраметоксисилан непросто купить, поскольку компании, торгующие химическими реактивами, как правило неохотно продают их частным лицам. Если вам удалось найти компанию, готовую продать это вещество, удостоверьтесь, что оно имеет высокую степень чистоты и не содержит опасных примесей.

   3. Приготовьте раствор едкого аммиака с метанолом. Смешайте 5 г (5 мл) приготовленного ранее водного раствора едкого аммиака с 7,92 г (10 мл) метанола в еще одном чистом стеклянном стакане. Перемешайте раствор.

      • Обозначьте этот раствор как "каталитический раствор", или просто "раствор Б".

   4. Залейте каталитический раствор в приготовленный ранее алкоксидный. Осторожно перелейте каталитический (раствор Б) в алкоксидный раствор (раствор A) и размешайте их стеклянной палочкой до полного растворения.

      • Полученный раствор называют также "золем".

   5. Переместите золь в формы. Предварительно постелите на дно форм бумагу для выпечки на силиконовой основе. Подождите, пока золь не примет форму геля.

      • Придется подождать от 15 минут до 1 часа.
      • Можете залить также золь в мелкие цилиндрические пипетки. В этом случае после превращения раствора в гель вы сможете выдавить его из пипетки.
      • Тетраметоксисилан в данном методе играет роль источника окиси кремния. Вода приводит к полимеризации тетраметоксисилана, а метанол обемпечивает смешивание воды и тетраметоксисилана, чтобы они образовали одну фазу и смогли прореагировать друг с другом. Едкий аммиак ускоряет протекающую реакцию.

   6. Дайте гелю состариться. После того, как гель сформировался, положите его в метанол и оставьте там как минимум на 24 часа.

      Удалите воду. В течение недели по меньшей мере четыре раза меняйте метанол на свежий, на этанол чистотой более 99,5%, либо на ацетон.

      • В результате гель практически полностью очистится от воды.

   7. Высушите гель в аппарате для сверхкритической сушки. Поместите гель в камеру аппарата и напустите в нее диоксид углерода. При этом диоксид углерода разогреется и пройдет через свою критическую точку, 31,1 градус Цельсия и 72,9 бар, разогревшись примерно до 45 градусов Цельсия и достигнув давления около 100 бар.

      • При сверхкритической сушке метанол полностью выйдет из геля.
      • Сбросьте давление в камере аппарата со скоростью около 7 бар в час.
      • В результате процесса у вас получится аэрогель из оксида кремния.

   Часть 3

   Альтернативный процесс: субкритическая сушка

   1. Подготовьте аэрогель, как указано ранее. Получите аэрогель из оксида кремния как описано выше, приготовив вначале химические ингредиенты, а затем "золь", получив жидкий гель.

      Вымачивая гель в спирте либо ацетоне, очистите его от воды, как было описано выше. Меняйте этиловый спирт или ацетон по меньшей мере четыре раза на протяжении недели.

      Подготовьте раствор гексана и этанола. Смешайте одну часть гексана и три части этанола так, чтобы получить раствор с объемом по крайней мере в пять раз больше объема полученного ранее геля.

      • При желании вместо этанола можно использовать ацетон в тех же пропорциях.
      • Например, если вы получили 20 мл аэрогеля, необходимо приготовить раствор из 25 мл гексана и 75 мл этанола либо ацетона.
      • Отметьте емкость с приготовленным раствором как "раствор 25-75".

   2. Приготовьте два дополнительных раствора гексана и этанола. Во втором используйте эти две жидкости в равных пропорциях. В третьем перемешайте три части гексана с одной частью этанола.

      • Как и ранее, вместо этанола можно использовать ацетон.
      • Пометьте емкость со вторым раствором как "раствор 50-50", а емкость с третьим – как "раствор 75-25".

   3. Выдержите гель последовательно в трех растворах. В растворе 25-75 выдержите гель в течение 12-48 часов.

      • Затем поместите гель в раствор 50-50 и выдержите его там в течение того же времени, после чего положите гель в раствор 75-25 и выдержите там на протяжении 12-48 часов.

   4. Вымочите гель в гексане. Вымачивайте гель на протяжении 24-72 часов в чистом гексане, меняя его три раза.

   5. Приготовьте раствор триметилхлорсилана. Добавьте в гексан триметилхлорсилан так, чтобы он составлял 6% от общей массы раствора.

      • Приготовьте раствор в объеме, по меньшей мере в 15 раз превышающем объем полученного ранее геля.
      • Пометьте емкость с раствором как ТМХС.

   6. Опустите аэрогель в раствор триметилхлорсилана. Для этого сначала положите гель на дно плотно закрывающейся химически стойкой емкости с широким горлышком, затем налейте в нее достаточно раствора ТМХС, так чтобы его объем превысил объем вымачиваемого геля в 5-10 раз. Запечатайте емкость.

      • В случае стеклянной емкости смочите края ее крышки вакуумной силиконовой смазкой, иначе крышка может пристать к горлышку.

   7. Разогрейте и затем охладите сосуд с гелем. Нагрейте сосуд до 60 градусов Цельсия и выдержите его при этой температуре в течение 12-24 часов, пользуясь электрической плиткой. Перед заменой раствора ТМХС на свежий дайте ему остыть до комнатной температуры.

      • Повторите процедуру еще дважды.
   8. Работайте в хорошо проветриваемом помещении с хорошим освещением.
   9. Во время работы надевайте защитные очки. Пользуйтесь также одеждой с длинными рукавами и закрытой обувью.
   10. Не пытайтесь сэкономить на деталях аппарата, заменяя их на более дешевые.
   11. Посвятите работе достаточно времени. Не пытайтесь ускорить процесс, поскольку при этом возрастает вероятность опасной ошибки.
   12. Убедитесь, что все вентили и соединения надежны и герметичны, избегайте попадания на них органических растворителей. Так вы убережетесь от утечек диоксида углерода.
   13. Меняйте прокладки на новые после каждых 30-50 процессов, после окончания процесса плотно перекрывайте все вентили.
   14. Тетраметоксисилан является опасным веществом, способным нанести вред вашим легким и глазам, поэтому при работе с ним пользуйтесь защитными очками и марлевой повязкой либо респиратором.

   Что вам понадобится

   • Латексные либо резиновые перчатки
   • Защитные очки
   • Одежда с длинными рукавами
   • Закрытая обувь
   • Химический фартук

   Сверхкритическая сушка

   • 2 шаровых клапана среднего давления 6,35 мм (1/4 дюйма) из нержавеющей стали марки 316
   • 2 шестигранных ниппеля 1,2 см (1/2 дюйма) на входе и 6,35 мм (1/4 дюйма) на выходе, длиной 1,7 см (1-11/16 дюйма), из нержавеющей стали марки 316
   • Шестигранных ниппель 1,2 см (1/2 дюйма)
   • 2 шестигранных ниппеля 6,35 мм (1/4 дюйма)
   • Патрубок диаметром 1,2 см (1/2 дюйма) из нержавеющей стали марки 316
   • Патрубок диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма) из нержавеющей стали марки 316
   • Игольчатый клапан среднего давления с внутренней резьбой по обеим сторонам, диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма), из нержавеющей стали марки 316
   • Латунный предохранительный пружинный клапан с вытяжным кольцом для контроля и выходом в атмосферу, внешней резьбой, диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма)
   • Биметаллический термометр 1,2 см (1/2 дюйма) из нержавеющей стали марки 304 с внешней резьбой и бессмазочным циферблатом
   • Манометр на 0-20000 KПа, подсоединяемый сверху, с посадочным гнездом 6,36 мм (1/4 дюйма)
   • Нагреватель или фен
   • Лента для изоляции труб
   • Крестообразный патрубок
   • 9-килограммовый баллон с диоксидом углерода, клапаном и переходником CGA320

   Силиконовый аэрогель

   • Тетраметоксисилан
   • Метанол
   • Деминерализованная вода
   • 28-30 вес. % раствор едкого аммиака в воде
   • Этанол (возможно)
   • Ацетон (возможно)

   Получение силиконового аэрогеля субкритической сушкой

   • Подготовленный силиконовый гель
   • Чистый этанол либо ацетон
   • Гексан
   • Триметилхлорсилан (ТМХС)
   • Химически стойкая банка или бутылка с широким горлышком
   • Электроплита
   • Химическая вытяжка
   • Гексаметилдисилазан

Аэрогель – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью, чрезвычайно низкой теплопроводностью и отсутствием водопоглощения.

Аэрогель, что это за материал?

(от лат. aer - воздух и gelatus - замороженный) – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью , чрезвычайно низкой теплопроводностью и отсутствием водопоглощения.

Нередко аэрогель называют “замороженным дымом” из-за его внешнего вида. С виду он чем-то походит на застывший дым. На ощупь аэрогель напоминает легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта.

Представляет собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм, жестко соединенных между собой. Этот каркас занимает малую часть объема от 0,13 до 15%, все остальное приходится на поры.

Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов.

Распространены аэрогели различной природы: как неорганической – на основе аморфного диоксида кремния (SiO 2), глинозёмов (Al 2 O 3), графена (называется аэрографен), графита (называется аэрографит ), а также оксидов хрома и олова, так и органической – на основе полисахаридов, силикона, углерода . В зависимости от основы аэрогели проявляют различные свойства. Вместе с тем имеются общие свойства, характерные для всего класса данного материала.

Как теплоизолятор изготавливается в виде матов, рулонов.

Свойства и преимущества аэрогеля:

– высокая пористость. На 99,8% состоит из воздуха,

– имеет рекорд по самой малой плотности у твердых тел - 1,9 кг/м³, это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха (кварцевые аэрогели),

– уникальный теплоизолятор. Имеет низкую теплопроводность – λ = 0,013 ~ 0,019 Вт/(м К) (в воздухе при нормальном атмосферном давлении) меньшую, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м К) (кварцевые аэрогели). Как утеплитель в 2-5 раз эффективнее традиционных утеплителей,

– температура плавления составляет 1200°C (кварцевый аэрогель),

– аэрогель является прочным материалом. Он выдерживает нагрузку в 2000 раз больше собственного веса,

– имеет низкий модуль Юнга,

– не сжимается, устойчив к деформации, имеет высокую прочность на растяжение,

– скорость распространения звука имеет самое низкое значение для твердого материала, что является важным преимуществом при создании шумоизоляционных материалов. Скорость звука в нем ниже скорости звука в газах,

– некоторые виды аэрогеля являются отличным сорбентом. Они в 7-10 раз эффективнее популярных современных сорбционных материалов,

– является устойчивым пористым веществом. Объем пор внутри аэрогеля в десятки раз превышает объем, занятый самим материалом. Данное свойство позволяет использовать аэрогель определенного состава в качестве катализатора в химических процессах с целью получения органических соединений. С другой стороны, его большая внутренняя емкость может быть использована для безопасного хранения определенных веществ, например, ракетного топлива , окислителя и пр.,

– отличная гидрофобность. Не впитывает влагу,

– обладает высокой жаропрочностью и термостойкостью. Имеет широкий рабочий температурный диапазон использования – от -200 °С до +1000 (1200) °С. Без потерь сохраняет теплоизоляционные и механические характеристики при нагревании до не менее 1000°С,

– является негорючим материалом. Может использоваться также для огнезащиты различных конструкций,

– прозрачен (кварцевый аэрогель). Имеет показатель преломления света от 1,1 до 1,02. Из него можно изготавливать различные виды стекол ,

– обладает достаточно высокой твердостью,

– долговечность,

– экологичен и безопасен для человека и окружающей среды,

– имеет большую удельную площадь внутренней поверхности. Она составляет порядка 300-1000 м 2 /г,

– химический состав аэрогеля можно регулировать, легко вводить в его состав различные добавки, что открывает новые возможности для его использования,

– устойчив к кислотам, щелочам, растворам,

– в тоже время является хрупким материалом.

Применение аэрогеля:

– в научных исследованиях в области ядерной физики,

– для звукоизоляции,

– для теплоизоляции зданий, сооружений, складов, холодильников, нефтепроводов, труб, прочих объектов и оборудования,

– для огнезащиты,

Инновации на основе аэрогеля:

Учеными предложена концепция терраформирования отдельных регионов планет : Марса, Луны, Венеры и пр. с помощью создания искусственных куполов или экранов из слоя