Geum.ru

Карельский Государственный Педагогический Университет

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
Карельский Государственный Педагогический Университет


Аэрогель – материал удивительный





Выполнила: Степанова К.В.

544 гр. (2007 г.)


Введение

Аэрогели (от лат.aer-воздух и gelatus замороженный) - класс материалов, представляющий собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной.

Гель (от лат. gelo - «застываю»)- система, характеризующаяся структурой, придающей гелю механические свойства твердых тел.

Гель – аморфный, некристаллический материал, состоящий из трехмерной сетки атомов и достаточно прочных ковалентных (обычно полярных) связей между ними, а также молекул растворителя, «застрявших» в пустотах геля.

Аэрогель - это легкий высокопористый материал, обладающий рядом исключительных и даже уникальных физических свойств, которые привлекают внимание исследователей, работающих в различных областях науки и техники.

История открытия

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. Он заключил пари, что невозможно удалить жидкость из желе без того, чтобы оно не осело. Кистлер заменил жидкость в желе на метанол, а затем нагрел в герметичной камере 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. Выиграл Кистлер пари или нет, он изобрел первый «аэрогель». Первым аэрогелем, полученным в лаборатории Кистлера, стал всем известный силикагель (silica gel, гель кремниевой кислоты), который сегодня повсеместно используется в качестве вещества для эффективного поглощения влаги.

Несколько позднее Кистлер открыл аэрогели на основе окиси алюминия, алюмохромовые и окиси олова. Он продолжал экспериментировать с созданием кварцевых аэрогелей, нитроцеллюлозы и каучука. Практически прозрачный кварцевый аэрогель достаточно прочен – двухграммовый образец не сморщивается под кирпичом весом 2,5 кг.

Первоначально производство "голубого дыма" было достаточно дорогим, к тому же сами аэрогели, ввиду несовершенства технологии, получались достаточно хрупкими. Со временем процесс пошёл по нарастающей: бакелит – 1930-е, углеродные волокна – 1980-е. Наиболее любопытные аэрогели - кремнийорганические, или силиконовые (на основе углерода), были открыты в начале 1990 годов.

Хотя процесс Кистлера был эффективен, надо признать, что он требует нагрев и одновременную герметизацию огнеопасных и ядовитых паров метанола. Хотя за последующие 70 лет к этому процессу мало что добавилось, эти материалы начали пробивать себе дорогу из лаборатории на рынок. Химики сумели создать аэрогели с различными начальными составами кварца и заменили метанол сжиженный углекислым газом. Современные аэрогели имеют отдельные недостатки, к числу которых относится синеватый отлив, связанный с наночастицами кварца, рассеивающими коротковолновую составляющую спектра.

Структура

Аэрогели относятся к классу материалов, в которых полости занимают не менее 50% объема. Как правило, этот процент достигает 90-99, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м³. Структуру аэрогеля образуют сферические кластеры из кварца диаметром примерно 0,004 мкм, формирующие трехмерную сетку, поры которой заполнены воздухом. Размеры пор в десять и более раз превышают размеры кластеров, что и позволяет получать очень легкий материал. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм и пор размерами до 100 нм.

Аналогия: поролон или пенопласт. Таким образом, хотя аэрогель классифицируется как твёрдое вещество, до 99% его субстанции – это ни что иное как газ. Однако, по словам учёных, в силу наноразмеров внутренней структуры подобных веществ – пор и "перегородок", одного кубического сантиметра аэрогеля было бы достаточно, чтобы, будучи "развёрнутыми", эти самые "перегородки" покрыли площадь футбольного поля.

Свойства аэрогелей
  • На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твердую пену;
  • 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;
  • Они также очень гигроскопичны;
  • По внешнему виду аэрогели полупрозрачны;
  • Плотность достигает всего 0,3 – 0,03г/см³(во много раз легче пуха);
  • Эффективные поглотители солнечного света (показатели преломления 1,006 до 1,060; длина поглощения при λ=400нм более 400см);
  • Абсорбируют токсичные тяжёлые металлы, например, халькогель сорбирует 99.9% ртути из раствора и всего лишь 40% цинка.

Виды аэрогелей:
  • кварцевые аэрогели: плотность=1,9 кг/м³ (в 500 раз меньше плотности воды), пропускают солнечный свет, но сильно поглощают тепловое излучение, имеют низкую теплопроводность (0,003 Вт/(м·К)),температура плавления составляет 1200°C;
  • «халькогели» (chalcogels),получают, заменив в составе классических аэрогелей кислород серой или селеном, что позволяет пористой структуре аэрогеля более предпочтительно связываться с токсичными металлами, в том числе и ртутью.
  • углеродные аэрогели: электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторе обладают большой площадью внутренней поверхности (до 800 м²/грамм); за счет этого углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов ёмкостью в тысячи фарад. Отражают всего 0,3% излучения в диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм, что делает их эффективными поглотителями солнечного света;
  • кремнезёмные аэрогели из оксида алюминия с добавками других металлов используются в качестве катализаторов.

Способ производства:

Типичный способ производства аэрогеля - извлечение жидкой фазы геля путём закритической сушки, то есть, высушивание при температуре и давлении, превышающих критические для данного вещества. Таким образом удаётся медленно отвести жидкость, не нарушая при этом матричную структуру твёрдой фазы, без коллапса капилляров, как это происходит в случае обычного испарения.

Обычно аэрогели получают, осушая суперкритическим углекислым газом гели оксида кремния или оксида алюминия. Процесс осушки замещает все молекулы растворителя на CO2, который впоследствии медленно замещается азотом и кислородом воздуха, однако структура геля при этом не повреждается.

Применение:

В черенковских радиаторах: как известно, черенковское излучение возбуждается в веществе заряженной частицей, если ее скорость превышает в нем скорость света, которая обратно пропорциональна показателю преломления вещества. Последний зависит от плотности вещества, которую в аэрогеле можно варьировать в широких пределах путем изменения его пористости.

Физика низких температур. Аэрогель оказался очень эффективным инструментом при исследовании свойств сверхтекучего гелия. Введение в поры аэрогеля сверхтекучего гелия привело к существенному изменению его свойств. Особый интерес к "загрязненной" таким образом сверхтекучей жидкости возник в связи с тем, что неизвестно о существовании каких либо веществ, которые бы в ней растворялись. Твердые частички аэрогеля, случайно разбросанные по всему объему жидкости, будучи чрезвычайно малыми, выполняют в ней роль псевдопримесей, концентрацию которых нетрудно изменять в широких пределах, используя аэрогель с различной пористостью, вплоть до 99,5 процента. Это вызвало большой интерес к аэрогелю и появлению фактически нового направления в исследованиях сверхтекучести. Немаловажным обстоятельством при этом является то, что имеется много общего в характере влияния примесей на свойства текучего гелия-3 и сверхпроводящих материалов.

Лазерные эксперименты. При облучении мишени, состоящей из плотной и легкой среды (аэрогеля), мощным импульсным лазером возникает сильный терморадиационный удар, который приводит к смешиванию этих сред и другим явлениям в месте их соприкосновения. Изучение такого эффекта важно, в том числе, и для объяснения явлений, возникающих при взрыве сверхновых звезд.

Микроэлектроника. Аэрогели обладают самыми низкими диэлектрическими константами, и использование их, например, в качестве изоляционных слоев в многослойных печатных платах позволяет значительно повысить быстродействие электроники.

Захватывающая среда. Аэрогель используется для регистрации космической пыли и мелких высокоскоростных частиц разного рода происхождения. При соударении с плотным твердым веществом такие частицы расплавляются или даже испаряются, Аэрогель обеспечивает достаточно плавное снижение скорости частиц, а также, будучи прозрачным материалом, дает возможность наблюдать их треки.

Ведутся работы (в США) по обнаружению с помощью аэрогеля вредоносных микроорганизмов в воздухе. Введенные в поры аэрогеля бактерии определенного сорта теряют там свою подвижность. При взаимодействии с ними микроорганизмов, содержащихся в потоке воздуха, образуется сцинтиллирующее вещество, свет из которого регистрируется фотодетектором.

Благодаря большой суммарной площади пор аэрогеля возможно изготовлять на его основе высокоэффективные фильтры различного назначения. (например, для очистки воды)

Теплоизоляция. Аэрогель привлекателен тем, что обладает очень низкой теплопроводностью и сильно поглощает инфракрасное излучение.

Перспективы:

  • Применение в различных областях - от очистки воды до удаления остатков тяжелых металлов из продуктов органического синтеза (халькогели);
  • изготовление стёкол из аэрогеля;
  • возможность использования в подушках безопасности;