Материалы портала «Научная Россия»

Аэрогель — материал ХХI века

Испытания уникального новосибирского изобретения для исследований природы Вселенной — аэрогеля — на Большом адронном коллайдере в CERN по

Испытания уникального новосибирского изобретения для исследований природы Вселенной — аэрогеля — на Большом адронном коллайдере в CERN показали рекордную точность измерений скорости элементарных частиц. Сейчас эти эксперименты продолжаются в СО РАН.

 

Аэрогель

Сибирский дым

Его называют твердым воздухом или замороженным газом, а внешне он напоминает кристалл застывшего дыма. Он входит в книгу рекордов Гиннеса из-за целого ряда своих удивительных свойств. С его помощью в открытом космосе регистрируют частицы антивещества и улавливают микрометеориты. Гели, где вместо жидкости воздух, обладают целым рядом удивительных свойств и обещают революцию в энергетике, микроэлектронике и других областях. Для производства аэрогеля с нужными свойствами используют углерод и оксиды некоторых металлов, но наибольшую известность и применение пока получил диоксид кремния – прозрачное вещество, известное под названиями «кремнезём» и  «кварц». Именно из него ученым впервые удалось создать что-то вроде пены, которую впоследствии сделали всего втрое плотнее воздуха. И хотя аэрогель был создан более 80-ти лет назад, его считают материалом 21 века, поскольку использовать его чудесные свойства в полном объеме пока не удается. Корпорации терпеливо ждут, когда ученые сделают его более доступным по цене.

 «Оригинальные свойства кремниевому аэрогелю придает его пористая структура – переплетение цепочек из частиц диоксида кремния с диаметром 4-6 нм и пустотами размером от 20 до 100 нм, – рассказывает руководитель группы аэрогелевых материалов Института катализа им.Г.К.Борескова СО РАН Александр Данилюк. – Коэффициент пористости аэрогеля из диоксида кремния может варьироваться в пределах  85% -99.95%, а преломление в нем света зависит от его плотности. Малая плотность полученного вещества (размер пор меньше длины волны видимого света) дает уникальный показатель преломления».

 Сибирские ученые сегодня производят аэрогель с плотностями от 0.03 до 0.3 г/см3 и показателями преломления от 1.006 до 1.08. Соответственно, он может быть разного веса, в среднем легче воды в 6-15 раз. Настолько низким уровнем преломлением света до получения этого уникального наноматериала обладал только сжатый под давлением газ. При этом один кубический сантиметр аэрогеля выдерживает вес более 3 кг, что в несколько тысяч раз больше его собственного веса. Какие новые возможности открывает такой материал? Сегодня он играет роль космического детектора, с помощью которого получают данные о пролетающих сквозь него частицах.

Научные сотрудники СО РАН Александр Данилюк       и Евгений Кравченко демонстрируют образцы полученного аэрогеля

Космическая ловушка

«Когда заряженная элементарная частица – электрон, позитрон, протон или ядро антивещества – проходит через аэрогель, она производит вспышку света, позволяющую определить, с какой скоростью и под каким углом она двигалась. Для проведения необходимых измерений за блоками аэрогеля установлена матрица из фотонных детекторов, а сами блоки играют роль радиатора, который излучает на эти детекторы потоки фотонов, – объясняет старший научный сотрудник Института ядерной физики им Г.И.Будкера СО РАН Евгений Кравченко. – В2012 году испытания нашего аэрогеля показали рекордную точность измерений скорости элементарных частиц в эксперименте, который мы проводили в CERN вместе с немецкими коллегами. В настоящее время мы продолжаем наши эксперименты уже на базе ИЯФ, поскольку немецкое детектирующее оборудование Philips было доставлено в Новосибирск.

 В ряде экспериментов аэрогель обеспечивает плавное снижение скорости любых «влетающих» в него микрометеоритов (в том числе из замерзшего газа), а его высокая прозрачность позволяет наблюдать оставшиеся от них треки после того, как они испарились. По глубине и размеру треков можно оценить массу и скорость этих частиц. Такие работы важны для обеспечения безопасности космических аппаратов».

 Оборудование с использованием аэрогеля работает как в ускорителях, так и в открытом космосе – его укрепляют снаружи на спутниках или на борту космического корабля. Американские ученые в международной программе использовали аэрогель для улавливания микрометеоритов на борту международной станции «Мир», а в программе НАСА «Звездная пыль» (Stardust) космический зонд «поймал» миллионы крошечных частиц из хвоста кометы Wild 2 и доставил аппарат с этими образцами на землю. В программе BESS, которая проводилась в 2004-м и 2007-м годах в Антарктиде международной коллаборацией также под эгидой НАСА, оборудование с радиатором из аэрогеля поднимали на стратостате в верхние слои атмосферы, чтобы регистрировать («ловить») заряженные элементарные частицы без дорогостоящей доставки оборудования на космический корабль. Малый вес аэрогеля позволил сделать марсианские роверы Mars Pathfinder и Spirit на 4,5 кг легче – там он использовался как очень эффективный теплоизолятор.

С помощью лазера можно увидеть степень прозрачности и однородную структуру аэрогеля

Рецепт аэрогеля

Получение «воздушного геля» или, как его иногда называют, пористого кварца начинается со смешивания алкоксида кремния и воды, в результате чего образуется кремнезем и метанол. В течение нескольких часов этот состав постепенно превращается в прозрачное желе, где происходит гидролиз частиц кремнезема размером 2-3 нм. Они собираются в цепочки, внутри которых образуются пустоты, заполненные растворителем – метанолом. Еще три недели этот состав «стареет» – происходит укрепление его структуры. Затем в автоклаве под давлением 120 атм. и нагревом 240°С из пустот удаляют спирт. Чтобы стенки пор не сжимались, а полученный материал не потрескался, используется технология сверхкритической сушки. Другими словами, в автоклаве достигается такое соотношение давления и температуры, которое позволяет аккуратно обойти момент, когда метанол в автоклаве может находиться сразу в двух состояниях – газообразном и жидком, и разностью давлений на границе может разрушить стенки аэрогеля, и материал остается в целости и сохранности.

 После автоклава блоки отжигают в муфельной печи для повышения их прозрачности, обрезают алмазной нитью, достигая искомых размеров и… твердый воздух готов! Плотность аэрогеля в процессе производства можно варьировать – для некоторых экспериментов она может быть чуть выше, а аэрогель с минимальной плотностью на ощупь мягкий, как поролон – такие блоки производства сибирских ученых используют на одном из детекторов Большого адронного коллайдера. Впрочем, голыми руками трогать аэрогель не следует – он мгновенно впитывает в себя влагу из всего, с чем соприкасается. Вода не идет на пользу его прочности, а кожа на кончиках пальцев становится сухой, как бумага. Чтобы аэрогель не напитывался влагой, блоки хранят в полиэтиленовых пакетах.

 80 лет материалу ХХI века

Впервые аэрогель получил еще в начале прошлого века американский химик из университета Стенфорда Сэмюэль Кистлер, опубликовавший свои результаты в журнале Nature. В ходе опытов ученый заменил жидкость в обычном геле метанолом и под высоким давлением нагрел его до критической температуры 240° С. Спирт испарился, но оставшаяся структура не уменьшилась в объеме. В настоящее время аэрогель производят лишь те, кто сумел достичь наилучших показателей этого материала – его выпуском «под заказ» занимаются только в Сибирском отделении Российской академии наук и в японской компании Matsushita. Остальные исследовательские лаборатории производят его для собственных нужд. Проблема в том, что производство аэрогеля очень дорогое, а рынок реализации готового продукта ограничивается областью научных исследований. Монолитный однородный блок объемом всего 2 л стоит до 6 тысяч евро.

александр данилюк аэрогель евгений кравченко со ран

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий