Аэрогель:замечательный изоляционный материал будущего

Мы находимся в самом разгаре новой гонки по исследованию космоса, и новые материалы находятся в авангарде технического прогресса. . Учитывайте потребности скафандра. Он должен защищать космонавта от экстремальных температур космоса, но при этом быть максимально тонким и легким, чтобы обеспечивать маневренность.

НАСА разработало изоляционные материалы из аэрогеля для использования в космических исследованиях , но в последние годы аэрогели стали коммерчески доступны и находят применение во множестве других областей.

<рисунок>

Аэрогели являются отличными теплоизоляторами. Здесь кусок аэрогеля защищает цветок от паяльной лампы.

Аэрогели — передовые материалы которые благодаря своей сверхпористой структуре позволяют инженерам проектировать не только новую теплоизоляцию для скафандров и транспортных средств , а также фильтры, аккумуляторы, солнечные коллекторы и многое другое .

Однако «аэрогели» — это не тип материала. . Скорее, они представляют собой особую форму твердых тел. которые могут быть изготовлены из кремнезема, полимеров, оксидов, углерода и других материалов . Хотя аэрогели твердые, они содержат так много крошечных пустот или «пор», что в основном состоят из воздуха.

В этой статье мы ответим на следующие вопросы:

• Что такое аэрогель?
• Как сделать аэрогели?
• Каковы основные свойства аэрогелей?
• Каковы области применения аэрогелей?

Что такое аэрогель?

Аэрогели — это сверхпористые материалы. , что означает, что несмотря на то, что они сплошные, в них полно крошечных отверстий, заполненных воздухом называются порами. Эти поры являются ключом к уникальным свойствам аэрогелей. . Хотя многие материалы, например пенопласт и некоторые виды керамики, являются пористыми, аэрогели представляют собой крайний случай.

В аэрогелях поры составляют большую часть материала. , в результате чего получается сверхлегкий твердый материал . Поры в аэрогелях также чрезвычайно малы, намного меньше человеческого волоса и слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. В результате аэрогели настолько легкие и полупрозрачные, что получили такие прозвища, как «твердое облако». " и "замороженный дым ".

Каковы основные свойства аэрогелей?

Аэрогели настолько пористые, что до 95% их объема составляет воздух. , что наделяет их различными необычными свойствами. . Среди них тот факт, что они являются одними из самых легких материалов, когда-либо созданных или обнаруженных. , что делает их особенно полезными в аэрокосмических приложениях. где экономия веса имеет жизненно важное значение.

Свойства аэрогелей включают:

• Чрезвычайно низкая плотность (см. поиск Matmatch для низкой плотности)
• Очень низкая теплопроводность (см. поиск Matmatch для низкой теплопроводности)
• Большая площадь поверхности для каталитических или электрохимических реакций.
• Прозрачность (см. поиск Matmatch для оптического пропускания)

Ключом к этим уникальным свойствам является тот факт, что аэрогели не только очень пористые , но поры очень маленькие – слишком мал, чтобы увидеть его человеческим глазом. Это означает, что аэрогели не только выигрывают от низкой теплопроводности воздуха внутри пор, но и воздух не может легко течь , что еще больше усиливает их способности теплоизолятора .

Как сделать аэрогели?

Несмотря на свое название, аэрогели не являются гелями. , они высокопористые твердые тела которые в основном состоят из воздуха. Аэрогели изначально представляют собой жидкость , превращаются в гель, затем жидкость удаляют. Их уникальная пористая структура создается за счет сохранения структур, образующихся при соединении крошечных частиц в жидкой фазе. (См. поиск Matmatch для частиц малого размера)

Хитрость заключается в том, чтобы удалить жидкость, сохранив пространство между частицами. . Эти пространства становятся порами в аэрогеле.

Самый распространенный тип аэрогелей изготавливается из кремнезема. методом «Соль-Гель»:

1. Золь получают путем смешивания крошечных твердых частиц с жидким растворителем.
2. Золь превращается в «гель» путем добавления катализатора, который связывает частицы друг с другом, заставляя смесь затвердевать.
3. Жидкий растворитель удаляют сушкой, оставляя только твердый аэрогель.

Обработка аэрогелей жизненно важна для создания их уникальной микроструктуры. Без сверхмалых пор, оставшихся от их полужидкой гелевой фазы. , у аэрогелей не было бы таких низких плотностей или быть такими отличными теплоизоляторами .

Каковы области применения аэрогелей?

Аэрогели — это не конкретный материал, а форма материала. который был обработан, чтобы сделать его более пористым. Самые распространенные аэрогели изготавливаются из кремнезема. (диоксид кремния); но также были аэрогели из графена, оксида железа, полимеров и т. д. .

Аэрогели также бывают разных форм включая толстые кирпичи, гибкие листы и тонкие покрытия . Аэрогели можно использовать в различных областях, и они коммерчески доступны для использования в качестве изоляции. . Однако исследователи разрабатывают несколько других технологических приложений для этих замечательных материалов.

Изоляция из аэрогеля

Низкая теплопроводность и низкая плотность аэрогелей делают их отличным изоляционным материалом . В качестве дополнительного бонуса аэрогели настолько легкие, что практически не добавляют веса конструкции. , что делает их идеальными для космических путешествий. потому что каждый килограмм стоит денег, чтобы поднять в космос. Аэрогели также являются отличными изоляторами, поэтому их можно использовать в тонких слоях, где требуется гибкость. , например, в скафандрах.

Некоторые аэрогели полупрозрачны , а это значит, что их можно использовать в местах, недоступных для традиционных изоляционных материалов, например в окнах и солнечных панелях. . Используются ли они для мансардных окон в наземных зданиях или окна будущего космического жилья , аэрогели пропускают свет, но блокируют передачу тепла .

Это делает их идеальными для облегчения обогрева и охлаждения конструкций. а также пропускает больше естественного света . Аэрогели также использовались в качестве покрытий в коллекторах солнечного тепла следующего поколения. , где аэрогель пропускает свет, но препятствует выходу тепла.

Способность аэрогелей останавливать поток тепла также делает его полезным в качестве камуфляжа , а аэрогелевые покрытия были испытаны как способ спрятаться от инфракрасных камер. .

Адсорберы и фильтры

Крошечные поры внутри аэрогелей предоставить им особенно большую удельную площадь поверхности, а это означает, что большое количество твердого материала находится в контакте с окружающей средой . Когда аэрогели изготавливаются из материалов, которые притягивают и прилипают к определенным молекулам или частицам, их можно использовать в качестве фильтров и адсорберов, улавливающих вещества внутри пор. .

<рисунок>

Силикагель является отличным влагопоглотителем и химически безопасен для пищевых продуктов.

Знакомый родственник аэрогелевых адсорберов силикагель , который обычно используется в качестве осушителя для удаления воды из воздуха. . Большинство людей знакомы с пакетами с силикагелем. используется для хранения продуктов питания и других предметов в сухости, в системах кондиционирования воздуха и других приложениях. После насыщения силикагеля водой его можно «зарядить» путем нагревания в печи, которая испаряет воду с поверхности его пор, оставляя его сухим и снова готовым к использованию.

Количество воды, которое может быть поглощено, увеличивается с увеличением удельной поверхности. . Поскольку удельная поверхность аэрогелей даже выше, чем у традиционных силикагелей, аэрогели обладают еще большей способностью улавливать влагу. .

Приложения передовых технологий

Высокая удельная поверхность аэрогелей означает, что они имеют особенно большое количество материала в контакте с окружающей их средой. Это делает аэрогели полезными для большого числа химических и электрохимических процессов. это можно улучшить, увеличив площадь контакта между растворами и твердыми субстратами.

К ним относятся использование в качестве катализаторов или субстратов для катализаторов. для различных промышленных химических процессов, а также электродов в суперконденсаторах нового поколения .

<рисунок>

НАСА использовало аэрогель для улавливания частиц космической пыли на борту космического корабля Stardust. Частицы испаряются при столкновении с твердыми телами и проходят через газы, но могут задерживаться в аэрогелях. НАСА также использовало аэрогель для теплоизоляции марсохода.

Поскольку аэрогели — это тип структуры, которую можно изготовить из самых разных материалов. , исследователи постоянно разрабатывают новые аэрогели и новые способы их использования. По мере превращения новых материалов в аэрогели они будут способствовать новым технологическим разработкам. таких как новые суперконденсаторы, противомикробные покрытия, прокладки, поглощающие разливы нефти, костные имплантаты и многое другое.

Благодаря уникальному сочетанию низкой теплопроводности, низкой плотности, большой площади поверхности и прозрачности аэрогели превратились в множество передовых технологий материалов. .