Аэрогель: ультралегкий изолятор нового поколения, питание космических исследований

Мы находимся в середине новой гонки за исследование внешнего космоса, и новые материалы находятся на передовой технологического прогресса. Рассмотрим потребности скафандра. Он должен защищать астронавта от экстремальных температур космоса, но быть как можно тоньше и легче для обеспечения маневренности.

NASA разработала аэрогелевые изоляционные материалы для использования в космических исследованиях, но в последние годы аэрогели стали коммерчески доступными и находят применение в множестве других областей.

Аэрогели — отличные теплоизоляторы. Здесь кусок аэрогеля защищает цветок от горелки.

Аэрогели — передовые материалы, которые благодаря своей ультрапористой структуре позволяют инженерам проектировать не только новую термоизоляцию для скафандров и транспортных средств, но и фильтры, батареи, солнечные коллекторы и многое другое.

Однако «аэрогели» не являются видом материала. Скорее, они являются специальной формой твердого тела, которое может быть получено из силика, полимеров, оксидов, углерода и других материалов. Хотя аэрогели твердые, они содержат столько крошечных пустот, или «пор», что в основном состоят из воздуха.

В этой статье мы ответим на следующие вопросы:

• Что такое аэрогель?
• Как делают аэрогели?
• Каковы ключевые свойства аэрогелей?
• Каковы применения аэрогелей?

Что такое аэрогель?

Аэрогели — ультрапористые материалы, что означает, что хотя они твердые, они полны крошечных воздухозаполненных отверстий, называемых порами. Те поры — ключ к уникальным свойствам аэрогелей. Хотя многие материалы пористы, такие как пены и некоторые керамики, аэрогели — крайний случай.

В аэрогелях поры составляют большую часть материала, что приводит к ультралегкому твердому материалу. Поры в аэрогелях также экстремально малы, гораздо меньше человеческого волоса и слишком крошечны, чтобы быть видимыми невооруженным глазом. В результате аэрогели настолько легки и полупрозрачны, что получили прозвища «твердое облако» и «замерзший дым».

Каковы ключевые свойства аэрогелей?

Аэрогели настолько пористы, что до 95% их объема — воздух, что придает им множество необычных свойств. Среди них то, что они среди самых легких материалов, когда-либо созданных или открытых, что делает их особенно полезными в авиакосмических приложениях, где экономия веса жизненно важна.

Свойства аэрогелей включают:

• Экстремально низкую плотность (см. поиск Matmatch по низкой плотности)
• Очень низкую теплопроводность (см. поиск Matmatch по низкой теплопроводности)
• Высокую удельную поверхность для каталитических или электрохимических реакций
• Полупрозрачность (см. поиск Matmatch по оптической пропускной способности)

Ключ к этим уникальным свойствам — факт, что аэрогели не только высокопористы, но поры также экстремально малы — слишком малы для человеческого глаза. Это означает, что аэрогели не только выигрывают от низкой теплопроводности воздуха внутри пор, но воздух также не может легко течь, что еще больше улучшает их способности как термоизоляторов.

Как делают аэрогели?

Несмотря на название, аэрогели не являются гелями, они высокопористые твердые тела, которые в основном состоят из воздуха. Аэрогели начинаются как жидкость, превращаются в гель, затем жидкость удаляется. Их уникальные пористые структуры создаются путем сохранения структур, возникающих при связывании крошечных частиц в жидкой фазе. (см. поиск Matmatch по малому размеру частиц)

Трюк в том, чтобы удалить жидкость, сохраняя пространство между частицами. Эти пространства становятся порами в аэрогеле.

Наиболее распространенный тип аэрогелей делается из силика процессом «Соль-гель»:

1. «Соль» получается путем смешивания крошечных твердых частиц с жидким растворителем.
2. Соль превращается в «Гель» добавлением катализатора, связывающего частицы друг с другом, вызывая огущение смеси.
3. Жидкий растворитель удаляется сушкой, оставляя только твердый аэрогель.

Обработка аэрогелей жизненно важна для создания их уникальной микроструктуры. Без ультрамалых пор, оставшихся от их полужидкой гелевой фазы, аэрогели не имели бы таких низких плотностей и не были бы такими отличными термоизоляторами.

Каковы применения аэрогелей?

Аэрогели не являются конкретным материалом, скорее они форма материала, которая была обработана для получения экстра пористости. Наиболее распространенные аэрогели делаются из силика (диоксида кремния); но также существовали аэрогели из графена, оксида железа, полимеров и других.

Аэрогели также появляются в различных формах, включая толстые кирпичи, гибкие листы и тонкие покрытия. Аэрогели могут использоваться в ряде приложений и коммерчески доступны для использования как изоляция. Однако исследователи разрабатывают несколько других технологических приложений для этих замечательных материалов.

Изоляция аэрогелем

Низкая теплопроводность и низкая плотность аэрогелей делают их отличным изоляционным материалом. В качестве бонуса, аэрогели настолько легки, что добавляют едва ли вес к конструкции, что делает их идеальными для космических полетов, потому что каждый килограмм стоит денег для вывода в космос. Аэрогели также такие отличные изоляторы, что их можно использовать в тонких слоях, где нужна гибкость, например, в скафандрах.

Некоторые аэрогели полупрозрачны, что означает, что их можно использовать там, где традиционные изоляции не могли бы, таких как окна и солнечные панели. Будь то люки в наземных зданиях или окна в будущей космической обитании, аэрогели пропускают свет, но блокируют передачу тепла.

Это делает их идеальными для облегчения обогрева и охлаждения зданий при одновременном пропускании большего естественного света. Аэрогели также использовались как покрытия в солнечных коллекторах нового поколения, где аэрогель пропускает свет, но предотвращает утечку тепла.

Способность аэрогелей остановить поток тепла также делает их полезными как форма маскировки, и аэрогелевые покрытия тестировались как способ скрыться от инфракрасных камер.

Адсорберы и фильтры

Крошечные поры внутри аэрогелей придают им особенно высокую удельную площадь поверхности, означая, что большое количество твердого материала контактирует с окружающей средой. Когда аэрогели делаются из материалов, привлекающих и придерживающих определенные молекулы или частицы, их можно использовать как фильтры и адсорберы, удерживающие вещества внутри пор.

Силика гель — отличный осушитель и химически безопасен для использования с пищей.

Знакомый родственник аэрогелевых адсорберов — силика гель, который обычно используется как осушитель для удаления воды из воздуха. Большинство людей знакомы с пакетиками силика геля, используемыми для сохранения сухости пищи и других предметов, в системах кондиционирования и других применениях. После насыщения водой силика гель можно «перезарядить» нагревом в духовке, что испаряет воду с поверхностей его пор, оставляя его сухим и готовым к повторному использованию.

Количество воды, которое может быть поглощено, увеличивается с удельной площадью поверхности. Поскольку аэрогели имеют еще более высокую удельную площадь поверхности, чем традиционные силика гели, аэрогели предлагают еще большие улучшения в способности удерживать влагу.

Передовые технологические применения

Высокая удельная площадь поверхности аэрогелей означает, что у них особенно большое количество материала в контакте с окружающей средой. Это делает аэрогели полезными для большого числа химических и электрохимических процессов, которые могут быть улучшены путем максимизации контактной площади между растворами и твердыми подложками.

Эти процессы включают служение катализаторами или подложками для катализаторов для различных промышленных химических процессов, а также электродами в суперконденсаторах нового поколения.

NASA использовала аэрогель для захвата космической пыли на борту космического аппарата Stardust. Частицы испаряются при ударе о твердые тела и проходят через газы, но могут быть захвачены в аэрогелях. NASA также использовала аэрогель для термоизоляции марсохода.

Поскольку аэрогели — тип структуры, который может быть сделан из широкого разнообразия материалов, исследователи постоянно разрабатывают новые аэрогели и новые способы их использования. По мере превращения дополнительных новых материалов в аэрогели, они будут позволять новые технологические разработки вроде новых суперконденсаторов, антимикробных покрытий, салфеток для 흡착 нефтепродуктов, костных имплантов и многого другого.

Благодаря их уникальному сочетанию низкой теплопроводности, низкой плотности, высокой удельной площади поверхности и полупрозрачности, аэрогели эволюционируют в разнообразный массив передового материала.