Аэрогели

Аэроге́ли (от аэро... и гели), уникальные сверхлёгкие материалы, для которых характерна высокая пористость, большая величина удельной поверхности, низкая плотность и низкая теплопроводность.

В научном сообществе не существует единого мнения о формулировке понятия «аэрогель», что обусловлено большим разнообразием материалов подобного типа. Согласно определению Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), аэрогель – это коллоидная система, «состоящая из дисперсионной среды – микропористого твёрдого вещества, в котором дисперсная фаза представляет собой газ». По определению исследователя С. Киcтлера, в 1931 г. получившего аэрогели, аэрогель – это гель, в котором «жидкость замещена воздухом с минимальной усадкой твёрдой сетки» (Kistler S. S. Coherent expanded aerogels and jellies // Nature. 1931. Vol. 127. P. 741^[1]). Всё чаще аэрогели определяют как материалы со специальной структурой и характеристиками, при этом на методе их получения акцента не делают. Иногда выделяют аэрогели и аэрогелеподобные материалы. Классическим примером аэрогеля принято считать материал, полученный по золь-гель технологии и высушенный в сверхкритических условиях. Помимо сверхкритической сушки известно два способа перевода жидкости, содержащейся в порах лиогеля («мокрого» геля), в газовую фазу: криосушка и сушка при атмосферном давлении. В результате образуются криогель и ксерогель (или амбигель) соответственно. Такое разделение условно, поскольку получаемые материалы по совокупности характеристик могут быть близки классическим аэрогелям.

Для проведения сверхкритической сушки жидкость в исходном лиогеле заменяют растворителем, критическая точка которого находится в умеренном диапазоне температур и давления, чтобы сетка геля в процессе сушки не разрушалась. Жидкость в порах лиогелей имеет сложный состав и содержит воду, продукты гидролиза (спирты), мономеры, олигомеры и т. д., поэтому перед сушкой в сверхкритических условиях жидкость в порах заменяют на чистый растворитель. Для сверхкритической сушки наиболее часто используют органические растворители и СО₂ . При сушке с применением сверхкритического СО₂ добавляется ещё одна стадия, которая заключается в замене исходного растворителя на жидкий СО₂ . В процессе сушки повышение температуры и давления выше критической точки приводит к переходу от жидкой фазы к сверхкритической жидкости без пересечения фазовой границы. Это очень важно для сохранения сетки геля, потому что при этом не возникают капиллярные или кристаллизационные силы. Давление уменьшают при поддержании постоянной температуры, и сверхкритический флюид превращается в газ без пересечения границы раздела фаз. Жидкость в трёхмерной сетке оказывается полностью заменена газом, и получается аэрогель.

Первыми аэрогелями являлись материалы на основе диоксида кремния. В способе, основанном на золь-гель технологии, впервые использованном С. Кистлером, был использован силикат натрия, который вступал в реакцию с соляной кислотой. Побочным продуктом такого подхода являлся хлорид натрия, от которого приходилось промывать гель продолжительное время. Модификация такого подхода за счёт использования алкоксидов в качестве прекурсоров, а также органических растворителей при синтезе лиогелей, позволила значительно упростить методику получения аэрогелей.

В 2004 г. С. Брок с коллегами показали, что для получения лиогелей необязательно использовать непрерывную золь-гель технологию, а можно разделить этап получения золя и этап получения из него лиогеля за счёт применения дестабилизирующих факторов (изменение pH, ионной силы или полярности растворителя, а также нагревание, замораживание, облучение и т. д.) (Mohanan J. L. A new addition to the aerogel community: unsupported CdS aerogels with tunable optical properties / J. L. Mohanan, S. L. Brock // Journal of non-crystalline solids. 2004. Vol. 350. P. 1–8^[2]). Использование такого подхода позволило контролировать микроструктуру получаемых продуктов, значительно расширило класс прекурсоров, из которых могут быть получены аэрогелеподобные материалы, и, как следствие, разнообразило их свойства. В качестве строительных блоков подобных аэрогелей рассматривают халькогенидные, металлические, оксидные наночастицы, анизотропные наноструктуры, в том числе углеродные нанотрубки. Так был создан аэрографен – ультралёгкий материал на основе графена и углеродных нанотрубок с рекордно низкой плотностью 0,16 мг/см³ (Haiyan Sun. Multifunctional, ultra-flyweight, synergistically assembled carbon aerogels / Haiyan Sun, Zhen Xu, Chao Gao // Advanced materials. 2013. Vol. 25, № 18. P. 2554–2560^[3]). Помимо способов синтеза аэрогелей с использованием коллоидных растворов известны методы получения пористых монолитов (называемых некоторыми исследователями аэрогелями) на основе металлооксидов с применением «жидко-металлической» технологии синтеза. Принцип данного метода заключается в селективном окислении одного металла в жидком сплаве с другим металлом в присутствии воды.

Кроме неорганических соединений для создания аэрогелей могут быть использованы различные полимеры. К 2022 г. в мире создан существенный задел в области создания материалов на основе полимерных аэрогелей, получены высокопористые синтетические полимеры, включая феноло- и меламино-формальдегидные смолы, полиакриламиды, полиакрилонитрилы, полиакрилаты, а также биогенные – целлюлозу, агарозу, хитозан.

Аэрогели характеризуются чрезвычайно низкой плотностью (свыше 95 % их объёма занимает воздух), большими открытыми порами, высокой внутренней площадью поверхности. Такие характеристики обусловливают уникальные физические свойства аэрогелей, например чрезвычайно низкую теплопроводность и низкую скорость распространения звука в сочетании с высокой оптической прозрачностью.

Благодаря особенностям своего строения и разнообразному составу аэрогели находят широкое применение в качестве тепло- и звукоизоляторов, катализаторов и носителей катализаторов, адсорбентов, газовых фильтров, химических сенсоров и др. Для придания особых свойств (например, люминесцентных, магнитных, гидрофобных) аэрогели дополнительно могут быть функционализированы различными модификаторами.