лова. На початку 1990-х отримані перші зразки аерогелю на основі вуглецю. Найбільш поширені кварцові (Si) аерогелі, їм також належить поточний рекорд по самій малої щільності у твердих тіл - 1,9 кг/м?, В 500 разів менше щільності води. До початку 2000-х років головним недоліком всіх аерогелей була крихкість. Проте створення нових матеріалів з вуглецю - графена і вуглецевих нанотрубок - дозволило отримувати пластичні і стійкі до ударної дії аерогелі. Завдяки цьому, а також надзвичайно низької теплопровідності (0,003 Вт/(м · К)), вони застосовуються в будівництві як теплоізолюючих і теплоудержуючою матеріалів, 2,5-сантиметровий лист із силіконового аерогелю захищає руку людини від вогню паяльної лампи, що подібне з квіткою видно на малюнку 1.4. Температура плавлення кварцового аерогелю становить 1200 ° C [1].
2. Отримання
Як не здалося б дивним, історія аерогелю налічує більше 70 років. Перший аерогель отримав американський вчений Стівен Кистлер десь наприкінці 1920-х або 1930-му році. У цей час він працював в Тихоокеанському коледжі в Стоктоні (Каліфорнія). Офіційною датою народження аерогелю прийнято вважати 1931, що точно не встановлено, коли Кистлер опублікував статтю про свій роботі в журналі Nature.
Розповісти про виробництво аерогелю легко, але на практиці процес досить скрутний. При видаленні рідини з гелю його тверда складова, зазвичай, руйнується. Вона втрачає міцну структуру, змінює форму, складні молекулярні мережі розсипаються.
Змусити мікроскопічну структуру піну зберегтися при видаленні заповнює її рідини, дуже важко. Зате при виконанні поставленого завдання вийде матеріал з дивовижними властивостями: щільність сучасних аерогелей від 0,35 до 0,003 грамів на кубічний сантиметр (щільність повітря - 0,0012 грамів на кубічний сантиметр).
Для реалізації задуманого спочатку використовується ряд хімічних реакцій для утворення вологого гелю. Потім отриманий продукт полімеризується, часом по 2-3 доби, перетворюючись на своєрідне желе. Потім з нього за допомогою спирту видаляється вода (її повне видалення - обов'язково). Потім в автоклаві при високому тиску і температурі проводиться так зване суперкритичним висихання за участю рідкого вуглекислого газу [1].
Принципове значення має останній процес утворення аерогелю, пов'язаний з його сушінням, т. е. з видаленням молекул рідини, що знаходяться в його порах. Оскільки аерогель має багато мікроскопічних пор, знаходження в них молекул рідини створює там високі тиску. Наприклад, оцінки дають, що в порах аерогелю двоокису кремнію з діаметром 2 нм молекули води створюють тиск порядку 20 кбар. Тому висушування аерогелей в атмосферному повітрі або у вакуумі створює великі внутрішні напруження в його каркасі, що призводить до його стиснення, а можливо і руйнування. Висушений таким способом аерогель, який носить назву ксерогель, зберігає пористість структури, однак його питома вага істотно вище, а питома обсяг внутрішніх пір значно нижче, ніж у аерогелю.
Рисунок 2.1 - Структури, які утворюються при сушінню гелю
Проблема сушки аерогелю була вирішена Кістлер на початку тридцятих років, що дозволило йому отримати зразки аерогелю двоокису кремнію і досліджувати його властивості. З робіт Кістлер і починається історія аерогелю. Для сушіння аерогелю Кистлер поміщав його в автоклав, де досягалися сверхкритические температура і тиск для знаходиться в порах аерогелю рідини. Випаровування цієї рідини при надкритичних параметрах і заміна її газом дозволяє в подальшому зберегти внутрішню структуру аерогелю. У подальшому саме цим методом і здійснювали сушку аерогелю.
Для отримання уявлення про реальні способи отримання аерогелю наводиться тут використовувані підходи у разі аерогелю двоокису кремнію. У класичному способі, використаному Кістлер, вихідною речовиною була сіль Na 2 SiO 3, яка містилася у водний розчин соляної кислоти, що призводило до хімічної реакції. Сіль випадала в осад і віддалялася з розчину. Залишився розчин промивають і фільтрувався, в отриманому розчині вода замінялася метиловим або етиловим спиртом, який має більш низькими значеннями критичного тиску і температури, ніж вода. Далі, в автоклаві при надкритичних умовах проводилася сушка аерогелю. Зазвичай до перерахованих фазам освіти аерогелю додається ще одна - відпал при атмосферному тиску. Така операція істотно підвищує прозорість аерогелю [2]. Першим аерогелем, отриманим в лабораторії Кістлер, став більш відомий силікагель (silica gel, гель кремнієвої кислоти), який нині повсюдно використовується як речовини для ефективного поглинання вологи. Дещо пізніше Кистлер відкрив аерогелі на основі окису алюмінію, алюмохромовом і окису олова.
Спочатку виробництво блакитного диму було до...
