сить дорогим, до того ж самі аерогелі зважаючи на недосконалість технології виходили досить крихкими. З часом процес пішов по наростаючій: бакеліт - 1930-ті, вуглецеві волокна - 1980-е. Найбільш цікаві аерогелі - кремнійорганічні, або силіконові (на основі вуглецю), були відкриті на початку 1990 років. Про них, в основному зараз і розмовляють. Згодом люди навчилися робити аерогелі з оксидів металів, органічних речовин, і багатьох інших вихідних інгредієнтів в залежності від бажаних властивостей изготавливаемого продукту [1].
3. Властивості
Завдяки своїй структурі аерогелі володіють набором унікальних властивостей. Хоча їх міцність наближається до міцності твердих тіл, що видно на малюнку 3.1, по щільності вони близькі до газам. Так, кращі зразки кварцового аерогелю мають щільність близько 2 мг/см3 (щільність входить до їх складу повітря - 1,2 мг/см3), що в тисячу разів менше, ніж у непористих твердих матеріалів.
Малюнок 3.1 - Цегла масою 2,5 кг стоїть на шматку аерогелю масою 2,38 г
Аерогелі володіють і вкрай малою теплопровідністю, це видно на малюнку 3.2, оскільки тепла потрібно пройти складний шлях по розгалуженій мережі з дуже тонких ланцюжків наночасток. При цьому перенесення тепла по повітряній фазі також утруднений через те, що ці ж ланцюжка роблять неможливою конвекцію, без якої теплопровідність повітря дуже низька.
Рисунок 3.2 - Квітка захищений від полум'я пластиною аерогелю
Ще одна властивість аерогелю - його надзвичайна пористість - дозволило доставити на Землю зразки міжпланетної пилу за допомогою космічного апарату Stardust. Його пристрій збору являло собою блок аерогелю, потрапляючи в який, частинки пилу зупинялися з прискоренням кілька мільярдів g, не руйнуючись, це видно на малюнку 3.3.
Малюнок 3.3 - Аерогель після тестового обстрілу частками на Землі в процесі підготовки місії Stardust
Головним недоліком аерогелю донедавна була його крихкість: він розтріскувався при повторних навантаженнях. Всі отримані на той момент аерогелі - з кварцу, деяких оксидів металів і вуглецю - володіли цим недоліком. Але з появою нових вуглецевих матеріалів - графена і вуглецевих нанотрубок - проблема отримання еластичних і стійких до руйнування аерогелей була вирішена.
Графен - це лист товщиною в один атом, в якому атоми вуглецю утворюють гексагональну решітку (кожна клітина решітки - шестикутник), а вуглецева нанотрубка - це такий же лист, згорнутий в циліндр товщиною від одного до десятків нанометрів. Ці форми вуглецю володіють великою механічною міцністю, еластичністю, дуже високою площею внутрішньої поверхні, а так само високим тепло- і електропровідністю.
Однак матеріали, приготовані окремо із графена або окремо з вуглецевих нанотрубок, теж мають свої недоліки. Так, аерогель із графена щільністю 5,1 мг/см3 не руйнувався під навантаженням, яка перевершує його власну вагу в 50000 разів, і відновлював форму після стиснення на 80% від вихідного розміру. Однак через те, що графенові листи володіють недостатньою жорсткістю при вигині, зменшення їх щільності погіршує пружні властивості аерогелю із графена.
Як продемонструвала група китайських вчених, ці недоліки повністю компенсуються, якщо використовувати при приготуванні аерогелю одночасно графен і нанотрубки. У вийшла структурі графенові листи служили каркасом, а нанотрубки - ребрами жорсткості на цих аркушах. Як показали дослідження під електронним мікроскопом, графенові листи перекриваються один з одним і утворюють тривимірний каркас з порами розміром від десятків нанометрів до десятків мікрометрів, а вуглецеві нанотрубки утворюють переплутану мережу і щільно прилягають до графенових листів.
Щільність зразка склала 1 мг/см 3 без урахування повітря. А згідно з розрахунками в представленій авторами структурної моделі, мінімальна щільність, при якій аерогель з використаних вихідних речовин ще збереже цілісність структури, становить 0,13 мг/см3, що майже в 10 разів менше щільності повітря, як видно на малюнку 3.4! Автори змогли приготувати композитний аерогель з щільністю 0,45 мг/см3 і аерогель тільки із графена щільністю 0,16 мг/см3, що менше попереднього рекорду, що належить Аерогелі з ZnO, обложеному на субстрат з газової фази. Зменшення щільності можна досягти, використовуючи більш широкі листи графена, але при цьому знижується жорсткість і міцність отриманого матеріалу.
Малюнок 3.4 - Шматок аерогелю, виготовлений з графена і нанотрубок
При випробуваннях зразки такого композитного аерогелю зберігали форму і мікроструктуру після 1000 повторних стиснень на 50% від вихідного розміру. У діапазоні від - 190 ° С д...
