Про замороженный дым

Вероятно, самая близкая аналогия аэрогелям, которую образно несложно представить каждому – это пенопласт. Или поролон. Только в случае аэрогелей древовидная структура вещества – этакие "перегородки", состоят из наночастиц размером 2-5 нм, а полые поры имеют размер менее 100 нм, при этом газом заполнено от 50% до 99% объёма вещества.
Таким образом, хотя аэрогель классифицируется как твёрдое вещество, до 99% его субстанции – это ни что иное как газ. Однако, по словам учёных, в силу наноразмеров внутренней структуры подобных веществ – пор и "перегородок", одного кубического сантиметра аэрогеля было бы достаточно, чтобы, будучи "развёрнутыми", эти самые "перегородки" покрыли площадь футбольного поля.
Типичный способ производства аэрогеля - извлечение жидкой фазы геля путём закритический сушки, то есть, высушивание при температуре и давлении, превышающих критические для данного вещества. Таким образом удаётся медленно отвести жидкость, не нарушая при этом матричную структуру твёрдой фазы, без коллапса капилляров, как это происходит в случае обычного испарения.
Первым аэрогелем, полученным в лаборатории Кистлера, стал наш добрый знакомый силикагель (silica gel, гель кремниевой кислоты), который нынче повсеместно используется в качестве вещества для эффективного поглощения влаги. Несколько позднее Кистлер открыл аэрогели на основе окиси алюминия, алюмохромовые и окиси олова.
Первоначально производство "голубого дыма" было достаточно дорогим, к тому же сами аэрогели ввиду несовершенства технологии получались достаточно хрупкими. Со временем процесс пошёл по нарастающей: бакелит – 1930-е, углеродные волокна – 1980-е. Наиболее любопытные аэрогели - кремнийорганические, или силиконовые (на основе углерода), были открыты в начале 1990 годов. О них, кстати, в основном сегодня речь.
Уникальные свойства "замороженного дыма" – отличная прозрачность, очень низкая плотность в сочетании с приличной твёрдостью и потрясающей жаропрочностью, рано или поздно должны были заинтересовать NASA. В результате этого на свет появилась дочерняя компания NASA - Aspen Aerogel, продукция которой уже побывала в космосе. Например, именно аэрогелем были заполнены ловушки, которыми брали пробу кометного вещества на комете Вайлд-2 (Wild-2) в процессе вояжа американского межпланетного зонда Stardust, запущенного NASA в феврале 1999 года.

Более того, в 2002 году компания Aspen Aerogel сообщила о разработке нового, более прочного и в то же время более гибкого аэрогеля, который сейчас используется в качестве изоляционного материала для скафандров экспедиции на Марс, запланированной на 2018 год. По мнению Марка Краевски (Mark Krajewski), ведущего научного сотрудника Aspen Aerogel, 18 мм слой аэрогеля способен полностью защитить астронавтов от низких температур до -130°C.
Ладно, космос космосом, но на земле для "замороженного дыма" найдутся сотни способов применения, где он оказывается вовсе вне конкуренции. Только представьте универсальный материал с удивительно низкой плотностью - порядка 1 - 150 кг/м3!


По словам одного из разработчиков новых видов аэрогелей, Меркури Казанзидиса (Mercouri Kanatzidis), профессора химии из Северозападного Университета (Northwestern University) в Эванстоне, Иллинойс, уникальные свойства современных образцов "замороженного дыма" могут быть использованы где угодно – от фильтрации загрязненной воды и защиты от высоких температур до ювелирной промышленности.

Впрочем, очистка воды, ювелиры – это всё мирные приложения. Даже стекло из "замороженного дыма" - airglass, придуманное в Швеции. Но экспериментами с новыми видами аэрогелей, разумеется, в обязательном порядке заинтересовались военные.

Так вот, выяснились просто потрясающие возможности аэрогелей: металлическая пластина, покрытая всего лишь 6 мм слоем аэрогеля, оказалась целёхонькой при взрыве килограмма динамита в непосредственной близости от этой пластины! Более того, пластина также не претерпела каких-либо изменений при нагревании слоя аэрогеля паяльной лампой с температурой пламени более 1300°C! Разумеется, танк от прямого попадания приличной ракеты эти 6 мм не спасут, да и от пули костюмчик с такой прокладкой вряд ли будет панацеей, но, во-первых, разработки новых типов аэрогелей продолжаются, а во-вторых, для некоторых прикладных случаев будут хороши даже такие материалы.
Кстати, про очистку воды: в лаборатории выше упомянутого профессора Канатзидиса уже получили образец аэрогеля, способный очищать воду от свинца и ртути. Не менее перспективными видятся варианты использования других разработок лаборатории Канатзидиса, разработанных для очистки морской воды от разливов нефти. Проблема с регулярно случающимися в мире экологическими катастрофами, когда на поверхности разливаются десятки тонн нефти, отнюдь не высосана из пальца, об этом достаточно часто нам вещает телеящик.
Последнее время использованием аэрогелей очень активно интересуются производители спортивного инвентаря: так, компания Dunlop уже разработала несколько новых типов ракеток для тенниса и сквоша, где аэрогель применяется для усиления конструкции.
Альпинисты также активно интересуются обувью и спальными мешками с термопрокладками из аэрогеля. А вот модникам пока не повезло: компания Hugo Boss, разработавшая линию зимних курток с прокладкой из аэрогеля, была вынуждена отказаться от такой идеи – слишком жарко.

Итак, ещё один перспективный вид наноматериалов. Помните, в предыдущих IT-байках - Левитация? Запросто, особенно в наномире я рассказывал вам об удивительных метаматериалах, способных на левитацию, правда, пока в масштабах наномира? Был там такой занятный пример: в качестве варианта практического применения левитационных свойств метаматериалов учёные уже фантазируют о новом виде воздушных подушек безопасности для автомобилей. Я так подозреваю, что пока они научат левитировать что-нибудь более-менее габаритное, в подушках безопасности уже вовсю будут использовать другие наноматериалы – какой-нибудь особый тип "замороженного дыма".
А в целом всё это не только поучительно, но и печально. Одни учёные и инженеры тратят все свои силы и таланты на разработку новых видов оружия, новых изощрённых видов убийства, со страшной силой приближая тем самым Армагеддон. Другие с не меньшим упорством разрабатывают "противоядие против Армагеддона", плюс, в качестве побочного продукта, попутно решают десятки и сотни других бытовых проблем человечества. Мы, конечно, оптимисты, и будем надеяться, что не свалится нам на голову какой-нибудь очередной хайгитлер, но, Господи, какие же всё это хрупко…
Для того, чтобы не заканчивать мой сегодняшний рассказ на этакой минорной ноте – напоследок капельку позитива. Уже известно, что в лабораториях разработано несколько версий аэрогелей с использованием в их структуре платины. Платина, как известно – один из лучших катализаторов, и такие виды "твёрдого дыма", по предварительным данным, способны значительно ускорить процесс расщепления, например, метанола, для производства столь популярного нынче водородного топлива.