Аэрогель: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
[отпатрулированная версия][отпатрулированная версия]
← Предыдущая правка
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
викификация
Нет описания правки
 
(не показано 20 промежуточных версий 16 участников)
Строка 2: Строка 2:
[[Файл:Aerogelbrick.jpg|thumb|[[Кирпич]] массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г]]
[[Файл:Aerogelbrick.jpg|thumb|[[Кирпич]] массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г]]
'''Аэроге́ли''' (от {{lang-la|aer}} — воздух и {{lang-la2|gelatus}} — замороженный) — класс материалов, представляющих собой [[Гели|гель]], в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного [[диоксид кремния|диоксида кремния]], [[глинозём]]ов, а также оксидов хрома и олова. В начале [[1990-е|1990-х]] получены первые образцы аэрогеля на основе [[углерод]]а.
'''Аэроге́ли''' (от {{lang-la|aer}} — воздух и {{lang-la2|gelatus}} — замороженный) — класс материалов, представляющих собой [[Гели|гель]], в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного [[диоксид кремния|диоксида кремния]], [[глинозём]]ов, а также оксидов хрома и олова. В начале [[1990-е|1990-х]] получены первые образцы аэрогеля на основе [[углерод]]а.

В технике безопасности аэрогелем также называется [[пыль]], осевшая на стенах, потолках, конструктивных частях оборудования и т. д.<ref>[http://www.znaytovar.ru/s/Obshhie-svedeniya-o-vzryve-i-proc.html Общие сведения о взрыве и процессах горения]</ref>


== Структура ==
== Структура ==
Аэрогели относятся к классу [[Мезопористый материал|мезопористых материалов]], в которых полости занимают не менее 50 %, а как правило, 90—99 % объёма, а плотность составляет от 1 до {{nobr|150 кг/м<sup>3</sup>}}. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединённых в [[Кластер (химия)|кластеры]] [[Наночастица|наночастиц]] размером {{nobr|2—5 нм}} и пор размерами до {{nobr|100 нм}}.
Аэрогели относятся к классу [[Мезопористый материал|мезопористых материалов]], в которых полости занимают не менее 50 %, а как правило, 95—99,8 % объёма, а плотность составляет от 1 до {{nobr|150 кг/м<sup>3</sup>}}. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединённых в [[Кластер (химия)|кластеры]] [[Наночастица|наночастиц]] размером {{nobr|2—5 нм}} и пор размерами до {{nobr|100 нм}}.


== История ==
== История ==
Строка 22: Строка 20:
На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твёрдую пену, похожую на [[пенопласт]]. 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 [[Гигроскопичность|гигроскопичны]].
На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твёрдую пену, похожую на [[пенопласт]]. 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 [[Гигроскопичность|гигроскопичны]].


По внешнему виду кварцевые аэрогели полупрозрачны. За счёт [[Рэлеевское рассеяние|рэлеевского рассеяния]] света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем. Сходными оптическими свойствами обладают аэрогели на основе оксидов алюминия ([[Оксид алюминия|Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]), циркония ([[Оксид циркония|ZrO<sub>2</sub>]]) и титана ([[Оксид титана(IV)|TiO<sub>2</sub>]]). Аэрогели из других оксидов металлов могут иметь различный цвет и прозрачность; так, [[оксид железа(III)|железооксидный]] аэрогель непрозрачен и имеет цвет, сходный с [[Ржавчина|ржавчиной]], [[Оксид ванадия(V)|ванадиевооксидный]] аэрогель непрозрачен, оливково-зелёного цвета; [[Оксид хрома(III)|хромооксидный]] аэрогель и имеет тёмно-зелёный или тёмно-синий цвет, а аэрогели на основе оксидов [[Редкоземельные элементы|редкоземельных металлов]] прозрачны ([[Оксид самария(III)|оксид самария]] жёлтый, [[Оксид неодима(III)|оксид неодима]] фиолетовый, оксиды [[Оксид гольмия(III)|гольмия]] и [[Оксид эрбия(III)|эрбия]] — розовые)<ref>{{cite web|url=http://www.aerogel.org/?p=44|title=Metal Oxide Aerogels|publisher=Aerogel.org|accessdate=28 Aug 2017}}</ref>. Углеродные аэрогели имеют глубокий чёрный цвет, поглощая 99,7 % падающего света.
По внешнему виду кварцевые аэрогели полупрозрачны. За счёт [[Рэлеевское рассеяние|рэлеевского рассеяния]] света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем. Сходными оптическими свойствами обладают аэрогели на основе оксидов алюминия ([[Оксид алюминия|Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]), циркония ([[Оксид циркония|ZrO<sub>2</sub>]]) и титана ([[Оксид титана(IV)|TiO<sub>2</sub>]]). Аэрогели из других оксидов металлов могут иметь различный цвет и прозрачность; так, [[оксид железа(III)|железооксидный]] аэрогель непрозрачен и имеет цвет, сходный со [[Ржавчина|ржавчиной]], [[Оксид ванадия(V)|ванадиевооксидный]] аэрогель непрозрачен, оливково-зелёного цвета; [[Оксид хрома(III)|хромооксидный]] аэрогель имеет тёмно-зелёный или тёмно-синий цвет, а аэрогели на основе оксидов [[Редкоземельные элементы|редкоземельных металлов]] прозрачны ([[Оксид самария(III)|оксид самария]] жёлтый, [[Оксид неодима(III)|оксид неодима]] фиолетовый, оксиды [[Оксид гольмия(III)|гольмия]] и [[Оксид эрбия(III)|эрбия]] — розовые)<ref>{{cite web|url=http://www.aerogel.org/?p=44|title=Metal Oxide Aerogels|publisher=Aerogel.org|accessdate=2017-08-28|archive-date=2013-08-12|archive-url=https://web.archive.org/web/20130812045126/http://www.aerogel.org/?p=44|deadlink=no}}</ref>. Углеродные аэрогели имеют глубокий чёрный цвет, поглощая 99,7 % падающего света.


== Виды аэрогелей ==
== Виды аэрогелей ==
Строка 32: Строка 30:


== Использование ==
== Использование ==
[[Файл:Stardust Dust Collector with aerogel.jpg|right|thumbnail|132 ячейки с аэрогелем космического аппарата [[Стардаст (космический аппарат)|«Стардаст»]] (NASA)]]
[[Файл:Stardust Dust Collector with aerogel.jpg|right|thumbnail|136 ячеек с аэрогелем космического аппарата [[Стардаст (космический аппарат)|«Стардаст»]] (NASA)]]
Помимо многочисленных технических применений, обусловленных вышеперечисленными уникальными свойствами, аэрогель известен прежде всего использованием в проекте [[Стардаст (космический аппарат)|«Стардаст»]] в качестве материала для ловушек [[Космическая пыль|космической пыли]].
Помимо многочисленных технических применений, обусловленных вышеперечисленными уникальными свойствами, аэрогель известен прежде всего использованием в проекте [[Стардаст (космический аппарат)|«Стардаст»]] в качестве материала для ловушек [[Космическая пыль|космической пыли]].


Строка 41: Строка 39:
Аэрогель на основе [[Оксиды железа|оксида железа]] с [[Алюминий|алюминиевыми]] [[наночастица]]ми может служить [[Взрывчатое вещество|взрывчаткой]] (разработка [[Ливерморская национальная лаборатория|Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса]], США).
Аэрогель на основе [[Оксиды железа|оксида железа]] с [[Алюминий|алюминиевыми]] [[наночастица]]ми может служить [[Взрывчатое вещество|взрывчаткой]] (разработка [[Ливерморская национальная лаборатория|Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса]], США).


В начале [[2006]] некоторые компании, например, [[United Nuclear]]<ref>[http://unitednuclear.com/index.php?main_page=product_info&cPath=16_17_69&products_id=89 Официальный сайт United Nuclear]</ref>, заявили о начале продаж аэрогеля организациям и частным лицам. В зависимости от размера и формы образца, цена составляет от $25 (фрагменты) до $125 (кусочек, помещающийся на ладони).
В начале [[2006]] некоторые компании, например, [[United Nuclear]]<ref>{{Cite web |url=http://unitednuclear.com/index.php?main_page=product_info&cPath=16_17_69&products_id=89 |title=Официальный сайт United Nuclear |access-date=2010-09-04 |archive-date=2013-05-29 |archive-url=https://web.archive.org/web/20130529225058/http://unitednuclear.com/index.php?main_page=product_info&cPath=16_17_69&products_id=89 |deadlink=no }}</ref>, заявили о начале продаж аэрогеля организациям и частным лицам. В зависимости от размера и формы образца, цена составляет от $25 (фрагменты) до $125 (кусочек, помещающийся на ладони).


В настоящее время на основе аэрогеля изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.
В настоящее время на основе аэрогеля изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.


== Производители ==
== Производители ==
[[Алисон Аэрогель]] — Китайский производитель высокоэффективных теплоизоляционных материалов на основе аэрогеля
<!--
<!--
[[Аспен Аэрогель]] — Американский производитель инновационной теплоизоляции на основе аэрогеля. -->
[[Аспен Аэрогель]] — Американский производитель инновационной теплоизоляции на основе аэрогеля. -->
* [[Институт катализа имени Г. К. Борескова СО РАН]] — российский исследовательский институт, изготавливающий аэрогели, которые используются в научных экспериментах; в том числе многослойный аэрогель для измерения скорости элементарных частиц<ref name="cern">{{Cite web |url=https://cerncourier.com/a/aerogel-sees-the-light-for-lhcb-detector/ |title=Aerogel sees the light for LHCb detector. CERN Courier. |access-date=2022-12-16 |archive-date=2022-12-16 |archive-url=https://web.archive.org/web/20221216173845/https://cerncourier.com/a/aerogel-sees-the-light-for-lhcb-detector/ |deadlink=no }}</ref><ref name="ria">{{Cite web |url=https://ria.ru/20120424/633573568.html |title=Сибирские ученые создали аэрогель для детекторов элементарных частиц. РИА Новости. |access-date=2022-12-16 |archive-date=2022-12-16 |archive-url=https://web.archive.org/web/20221216161043/https://ria.ru/20120424/633573568.html |deadlink=no }}</ref><ref>{{Cite web |url=https://www.interfax-russia.ru/siberia/news/material-dlya-poiska-novyh-elementarnyh-chastic-i-solnechnoy-energetiki-razrabotali-novosibirskie-uchenye |title=Материал для поиска новых элементарных частиц и солнечной энергетики разработали новосибирские ученые. Интерфакс. |access-date=2022-12-16 |archive-date=2022-12-16 |archive-url=https://web.archive.org/web/20221216161134/https://www.interfax-russia.ru/siberia/news/material-dlya-poiska-novyh-elementarnyh-chastic-i-solnechnoy-energetiki-razrabotali-novosibirskie-uchenye |deadlink=no }}</ref>.
* Matsushita — японский производитель аэрогелей<ref name="cern" /><ref name="ria" />.


== См. также ==
== См. также ==
* [[Пенометалл]]
* [[Пенометалл]] — 50 кг/м<sup>3</sup>
* [[Металлическая микрорешётка]] — 0,9 кг/м<sup>3</sup>
* [[Металлическая микрорешётка]] — 0,9 кг/м<sup>3</sup>
* [[Аэрографит]] — 0,2 кг/м<sup>3</sup>
* [[Аэрографит]] — 0,2 кг/м<sup>3</sup>
* [[Воздух]]
* [[Воздух]] — 1,2754 кг/м<sup>3</sup>


== Примечания ==
== Примечания ==

Текущая версия от 14:51, 21 февраля 2024

Блок аэрогеля в руке
Кирпич массой 2,5 кг стоит на куске аэрогеля массой 2,38 г

Аэроге́ли (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Структура

[править | править код]

Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 %, а как правило, 95—99,8 % объёма, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м3. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединённых в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм.

История

[править | править код]

Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером[англ.] из Тихоокеанского колледжа[англ.] в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшим в 1931 году в журнале Nature свои результаты.

Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240 °C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не сжимаясь.

Свойства

[править | править код]
Аэрогели — хорошие теплоизоляторы

На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твёрдую пену, похожую на пенопласт. 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 кварцевые аэрогели полупрозрачны. За счёт рэлеевского рассеяния света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем. Сходными оптическими свойствами обладают аэрогели на основе оксидов алюминия (Al2O3), циркония (ZrO2) и титана (TiO2). Аэрогели из других оксидов металлов могут иметь различный цвет и прозрачность; так, железооксидный аэрогель непрозрачен и имеет цвет, сходный со ржавчиной, ванадиевооксидный аэрогель непрозрачен, оливково-зелёного цвета; хромооксидный аэрогель имеет тёмно-зелёный или тёмно-синий цвет, а аэрогели на основе оксидов редкоземельных металлов прозрачны (оксид самария жёлтый, оксид неодима фиолетовый, оксиды гольмия и эрбия — розовые)[1]. Углеродные аэрогели имеют глубокий чёрный цвет, поглощая 99,7 % падающего света.

Виды аэрогелей

[править | править код]

Наиболее распространены кварцевые аэрогели. Их минимальная плотность равна 1 кг/м3 (вакуумированная версия), что в 1000 раз меньше плотности воды и даже в 1,2 раза меньше плотности воздуха (правда, указанная плотность не включает вес воздуха, включенного в структуру, потому аэрогели не плавают в воздухе). Среди твердых тел меньшую плотность имеют лишь металлические микрорешётки (чья плотность может достигать 0,9 кг/м3[2], что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей), аэрографит (чья плотность составляет 0,18 кг/м3) и аэрографен[англ.] (0,16 кг/м3). Кварцевые аэрогели пропускают свет в мягком ультрафиолете, видимой области (с длиной волны больше 300 нм) и инфракрасном диапазоне, однако в инфракрасной области присутствуют типичные для кварца, получаемого обезвоживанием силикагелей, полосы гидроксила при 3500 см−1 и 1600 см−1[3]. Благодаря чрезвычайно низкой теплопроводности (~0,017 Вт/(м·К) в воздухе при атмосферном давлении),[4], меньшей, чем теплопроводность воздуха (0,024 Вт/(м·К)), они применяются в строительстве в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов. Температура плавления кварцевого аэрогеля составляет 1200 °C.

Углеродные аэрогели (аэрографиты) состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом. Они электропроводны и могут использоваться в качестве электродов в конденсаторах. За счёт очень большой площади внутренней поверхности (до 800 м2/грамм) углеродные аэрогели нашли применение в производстве суперконденсаторов (ионисторов) ёмкостью в тысячи фарад. В настоящее время достигнуты показатели в 104 Ф/грамм и 77 Ф/см3. Углеродные аэрогели отражают всего 0,3 % излучения в диапазоне длин волн от 250 до 14 300 нм, что делает их эффективными поглотителями солнечного света.

Глинозёмные аэрогели из оксида алюминия с добавками других металлов используются в качестве катализаторов. На базе алюмооксидных аэрогелей с добавками гадолиния и тербия в НАСА был разработан детектор высокоскоростных соударений: в месте столкновения частицы с поверхностью происходит флюоресценция, интенсивность которой зависит от скорости соударения.

Использование

[править | править код]
136 ячеек с аэрогелем космического аппарата «Стардаст» (NASA)

Помимо многочисленных технических применений, обусловленных вышеперечисленными уникальными свойствами, аэрогель известен прежде всего использованием в проекте «Стардаст» в качестве материала для ловушек космической пыли.

Поскольку показатель преломления аэрогелей занимает промежуточное положение между показателями преломления газообразных и жидких (твёрдых) веществ, аэрогель используется как радиатор в черенковских детекторах заряженных частиц.

Аэрогели могут использоваться в качестве газовых и жидкостных фильтров.

Аэрогель на основе оксида железа с алюминиевыми наночастицами может служить взрывчаткой (разработка Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса, США).

В начале 2006 некоторые компании, например, United Nuclear[5], заявили о начале продаж аэрогеля организациям и частным лицам. В зависимости от размера и формы образца, цена составляет от $25 (фрагменты) до $125 (кусочек, помещающийся на ладони).

В настоящее время на основе аэрогеля изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.

Производители

[править | править код]
  • Институт катализа имени Г. К. Борескова СО РАН — российский исследовательский институт, изготавливающий аэрогели, которые используются в научных экспериментах; в том числе многослойный аэрогель для измерения скорости элементарных частиц[6][7][8].
  • Matsushita — японский производитель аэрогелей[6][7].

См. также

[править | править код]

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ Metal Oxide Aerogels. Aerogel.org. Дата обращения: 28 августа 2017. Архивировано 12 августа 2013 года.
  2. ↑ Однако в воздушной среде при нормальных условиях плотность таких металлических микрорешёток равна 1,9 кг/м3 за счёт внутрирешёточного воздуха.
  3. ↑ Optical properties of Silica aerogels // Enviromental Technology Division of E.O. Lawrence Berkeley National Laboratory. Дата обращения: 5 июня 2009. Архивировано из оригинала 15 мая 2009 года.
  4. ↑ Thermal properties of Silica aerogels // Enviromental Technology Division of E.O. Lawrence Berkeley National Laboratory Архивировано 5 июля 2008 года.
  5. ↑ Официальный сайт United Nuclear. Дата обращения: 4 сентября 2010. Архивировано 29 мая 2013 года.
  6. ↑ 1 2 Aerogel sees the light for LHCb detector. CERN Courier. Дата обращения: 16 декабря 2022. Архивировано 16 декабря 2022 года.
  7. ↑ 1 2 Сибирские ученые создали аэрогель для детекторов элементарных частиц. РИА Новости. Дата обращения: 16 декабря 2022. Архивировано 16 декабря 2022 года.
  8. ↑ Материал для поиска новых элементарных частиц и солнечной энергетики разработали новосибирские ученые. Интерфакс. Дата обращения: 16 декабря 2022. Архивировано 16 декабря 2022 года.

Ссылки

[править | править код]
Источник — https://ru.wikipedia.org/ruwiki/w/index.php?title=Аэрогель&oldid=136281883