Аэрогель: один из самых лёгких твёрдых материалов

Аэрогель — это гель, из которого убрали жидкость, а каркас при этом остался стоять как стоял: место жидкости занял газ. На 90–99,8 % такой материал состоит из воздуха, плотность у него от 1 до 150 кг/м³, а теплопроводность ниже, чем у самого воздуха, и это не опечатка. Ниже — свойства, виды, производство и применения, а в конце про запрос «аэрогель в песочнице», который к стройке отношения не имеет: там речь про компьютерные игры.

Что такое аэрогель и почему его называют «застывшим дымом»

Название собрано из латинских слов aer — воздух и gelatus — замороженный. Возьмите желе и представьте, что всю жидкость из него выпарили, а трёхмерная сетка молекул осталась на месте. Это и есть аэрогель: древовидный каркас из кластеров наночастиц размером 2–5 нм с порами до 100 нм. По научной классификации — мезопористый материал.

Пустоты занимают минимум половину объёма, а в типичных образцах от 95 до 99,8 %. Отсюда и плотность 0,0011–0,15 г/см³. Вакуумированный кварцевый добирается примерно до 1 кг/м³: в тысячу раз легче воды и формально в 1,2 раза легче воздуха.

Популярные статьи на этом месте обычно замолкают, а дальше самое интересное. Материал не парит. Заявленная плотность считает только массу каркаса, а поры куска, который лежит у вас на столе, забиты тем же воздухом, что и вокруг. Взлетать нечему.

Кварцевый аэрогель полупрозрачен: в отражённом свете голубоватый, в проходящем светло-жёлтый. Виновато рэлеевское рассеяние — наноструктура рассеивает синюю часть спектра сильнее красной, та же физика, из-за которой небо голубое. Отсюда прозвища: «застывший дым», frozen smoke, «твёрдый воздух». Наименьшая плотность среди твёрдых материалов и рекордная теплоизоляция зафиксированы как рекорды Книги рекордов Гиннесса.

История изобретения: спор Стивена Кистлера и путь в космос

Аэрогель получил американский химик Сэмюэл Стивен Кистлер — на рубеже 1929–1931 годов, в Тихоокеанском колледже в Калифорнии; в 1931-м результаты вышли в журнале Nature. Популярные источники любят версию про спор с коллегой Чарльзом Лернедом: можно ли заменить жидкость в желе на газ и не разрушить структуру.

Находка Кистлера в одном — он обошёл границу между жидкостью и газом. Сушите гель обычным способом, и капиллярные силы на поверхности испаряющейся жидкости сомнут каркас. Кистлер заменил воду в геле на метанол и нагрел под давлением выше критической температуры, около 240 °C. В сверхкритическом состоянии разница между жидкостью и паром исчезает, поверхностного натяжения нет, растворитель уходит и сетку за собой не тянет.

В 1940-х изобретение лицензировала Monsanto. Материал шёл как загуститель для красок и косметики, его пробовали в фильтрах и изоляции морозильников, а около 1970 года производство закрыли: слишком дорого. Второе дыхание пришло в 1960–70-х, когда за кремнезёмные аэрогели взялся Тайхнер, а звёздный час устроило NASA. Миссия Stardust (запуск в 1999-м, возврат капсулы в 2006-м) ловила блоками аэрогеля частицы кометы Wild 2: пылинка тормозила в пористой структуре и не сгорала. Тем же материалом утепляли марсоходы, от Sojourner до Spirit и Opportunity, — от ночных морозов Марса.

Свойства аэрогеля: цифры и рекорды

Кварцевый аэрогель на воздухе при атмосферном давлении показывает около 0,017 Вт/(м·К). У неподвижного воздуха — 0,024. Типичный диапазон — 0,012–0,021 Вт/(м·К), в вакууме доходит до ~0,004. Работает эффект Кнудсена: поры мельче длины свободного пробега молекул воздуха, молекулы чаще бьются о стенки пор, чем друг о друга, так что конвекция и газовая теплопередача выключаются. Тонкий каркас сам по себе проводит тепло плохо. Остаётся излучение, и из-за него на высоких температурах эффективная λ заметно подрастает.

Прочность у материала странная. На сжатие образец держит до 2000 раз больше собственного веса, а на изгиб и скол хрупок до обидного: нажали неаккуратно — треснул, как чипс.

Рабочий диапазон промышленных марок — от −196…−250 °C до +650…+1000 °C, смотря какая серия. Сам кремнезёмный каркас плавится около 1200 °C.

Удельная площадь поверхности — 500–1200 м²/г, у углеродных до ~800 м²/г. В популярных публикациях гуляет оценка до 3200 м²/г, но типовой её считать не стоит. Грамм материала разворачивается в огромную поверхность, за это его и любят разработчики сорбентов и катализаторов.

Показатель преломления 1,0–1,05, диэлектрическая проницаемость около 1,1, скорость звука ~100 м/с — для твёрдого тела аномально мало. Материал прозрачен для мягкого ультрафиолета (длиннее 300 нм), видимого света и ИК-диапазона; в ИК-спектре видны полосы гидроксильных групп на 3500 и 1600 см⁻¹.

Виды аэрогелей и как их производят

По химии каркаса материал делится на несколько семейств:

• Кремнезёмные (кварцевые, SiO₂) — классика: те самые голубоватые полупрозрачные блоки, они же основа промышленной теплоизоляции.
• Оксидные — Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, Cr₂O₃ и прочие оксиды, причём состав задаёт цвет: железооксидный «ржавый» и непрозрачный, ванадиевый оливково-зелёный, хромовый тёмно-зелёный или синий. Аэрогели оксидов редкоземельных металлов прозрачны — от жёлтого самариевого до фиолетового неодимового.
• Углеродные — глубоко-чёрные, поглощают до 99,7 % падающего света и проводят ток. Первые образцы получены в конце 1980-х, сейчас работают электродами суперконденсаторов (ионисторов).
• Полимерные. Гибче кремнезёмных, и это решает там, где хрупкость критична.

Цепочка производства выглядит так: золь-гель синтез (из раствора-предшественника формируется гель), старение геля, сверхкритическая сушка. Чаще всего сушат в CO₂ — у него удобная критическая точка, около 31 °C и 7,4 МПа. Дальше начинается арифметика денег: автоклав, чистый растворитель, цикл на дни, а иногда и на недели. Вся цена сидит именно здесь, в медленной и энергоёмкой сушке. Есть и методы попроще, с сушкой при атмосферном давлении, но они требуют химической модификации геля.

Для чего нужен аэрогель: реальные применения

Главная работа материала — теплоизоляция там, где на счету каждый миллиметр и каждый градус:

• нефтегаз: трубопроводы, арматура, оборудование в Арктике и на промыслах;
• криогеника — ёмкости и линии для сжиженных газов до −196…−250 °C;
• термобарьеры между ячейками аккумуляторов в электромобилях;
• космос: изоляция аппаратов и скафандров, ловушки космической пыли.

Добрался теплоизолятор и до потребителя. Аэрогелевые вставки встречаются в зимних куртках, обуви и экипировке для охоты и экспедиций. В науке кремнезёмные аэрогели служат радиаторами черенковских детекторов, углеродные — электродами ионисторов. А пористая структура сделала материал кандидатом в сорбенты для сбора нефтяных разливов, носители катализаторов и системы доставки лекарств.

Минусы перечислю без реверансов: монолиты хрупкие, при резке материал пылит, негидрофобизированный кремнезём тянет влагу, и намокший монолит деградирует. И цена.

Аэрогель в строительстве: маты, штукатурки и монтаж

Путают два совершенно разных продукта. Монолит — хрупкий лабораторный блок, в стройке ему делать нечего. Работают там композитные маты: аэрогель, синтезированный в матрице из стеклохолста или керамического волокна. Такой рулон гнётся и режется. Типичные параметры — плотность 100–200 кг/м³, толщина 3–13 мм, ширина рулона 600–1500 мм; самые известные серии — высокотемпературные и криогенные маты американской Aspen Aerogels.

Покупают их за компактность. 5–10 мм полотна по теплозащите заменяют 20–50 мм базальтовой ваты или вспененного каучука, на фасадах и откосах слой выходит в 3–5 раз тоньше традиционного. Конкретные показатели зависят от марки, состава и облицовки: у гидрофобизированных марок водопоглощение при длительном погружении измеряется единицами процентов по объёму, но есть и негидрофобные, и фольгированные паронепроницаемые серии, а группа горючести у разных продуктов доходит от негорючих до Г1. Поэтому λ, водопоглощение, класс пожарной опасности и срок службы смотрят в паспорте и протоколах испытаний конкретной марки, а не по общим обещаниям.

С монтажом есть засада: из-за супергидрофобности клеи на аэрогеле почти не держатся, поэтому крепят механикой — бандажными лентами, хомутами, стяжками, проволокой. Резать нужно в респираторе и перчатках, пылит он примерно как минвата. Кроме матов на рынке есть панели, гранулы, порошок, штукатурные и клеевые смеси с аэрогелевым наполнителем.

Для чего нужен аэрогель в песочнице (игровые механики)

Часть запросов приходит вовсе не от строителей. В играх-песочницах про выживание и постройку базы аэрогель встречается как крафтовый материал — продвинутый теплоизолятор поздних этапов, которым отгораживают жилые отсеки от горячих или ледяных зон.

Рецепты крафта, характеристики и производственные цепочки в каждой игре свои и переезжают с обновлениями, поэтому точные цифры смотрите в вики конкретной игры. Принцип же держится: если механика списана с физики, материал будет дорогим в производстве и лучшим изолятором из доступных.

Почему аэрогель дорогой и в каком виде он встречается

Сырьё тут ни при чём: кремнезём — буквально песок. Платят за технологию, за сверхкритическую сушку с автоклавом, растворителями и длинным циклом. Отсюда и цена квадратного метра мата заметно выше, чем у минеральной ваты той же площади, а корректно их сравнивать только по итоговой теплозащите и толщине.

Промышленные маты идут рулонами с протоколами испытаний, а вне промышленности аэрогель чаще всего видят в виде гранул и небольших монолитных кубиков для демонстраций. Для строительного применения ориентир один — протоколы: заявленная λ при конкретной температуре, группа горючести, водопоглощение.

Ещё две ловушки в названиях. Слово «аэрогель» иногда встречается в торговых названиях строительных смесей, где аэрогеля может и не быть, — смотрите состав. А аэрогриль — кухонный прибор, к аэрогелю отношения не имеет вовсе.

FAQ: частые вопросы об аэрогеле

Аэрогель легче воздуха — почему он не летает? Плотность ~1 кг/м³ относится к каркасу, воздух в порах в неё не входит. Реальный кусок весит каркас плюс воздух внутри, то есть чуть больше вытесненного воздуха. Чтобы полетел, поры пришлось бы откачать и при этом не дать каркасу схлопнуться.

Аэрогель — самый лёгкий твёрдый материал? Уже с оговорками. Металлические микрорешётки добрались до ~0,9 кг/м³, аэрографит — 0,18 кг/м³, аэрографен — 0,16 кг/м³. Среди материалов массового промышленного применения кремнезёмный аэрогель пока держит первое место.

Можно ли трогать аэрогель руками? Монолит спокойно берут в руки: ощущение как от очень лёгкого жёсткого пенопласта. Только он хрупкий и крошится от неосторожного нажатия, а при резке и крошении даёт пыль — отсюда перчатки и респиратор.

Боится ли аэрогель воды? Чистый кремнезёмный — да, он гигроскопичен, намокание разрушает структуру. Промышленные марки гидрофобизируют, после чего водопоглощение падает до единиц процентов и ниже.

Аэрогель и силикагель из пакетиков — это одно и то же? Химия одна: диоксид кремния, полученный золь-гель методом. Расходятся они на сушке. Силикагель сушат обычным способом, и каркас частично сжимается; аэрогель сушат в сверхкритических условиях, поэтому почти весь объём пор остаётся на месте.