Этот материал называют «твёрдым газом», «голубым дымом» — он и правда напоминает кристалл застывшего дыма. Из него делают теплоизолирующие стёкла, адсорбенты и даже применяют для улавливания космической пыли. Прозрачный материал с рекордно низкой плотностью обещает произвести революцию в энергетике и электронике.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №5(33). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

До открытия аэрогеля Сэмюэль Кистлер занимался изучением обыкновенного кондитерского желе. Действительно, пищевое желе из желатина нельзя назвать ни твёрдым, ни жидким — это некое аморф­ное промежуточное вещество. Секрет заключается в длинных молекулах желатина, которые создают в водной среде сложную трёхмерную структуру, запирая воду внутри. Структурной единицей является желатиновая ячейка, в которой за счёт поверхностного натяжения удерживается вода. Конструкция получается в высшей степени эластичная (при малейшем движении желе принимается дрожать) и термически нестойкая (уже при +35 0С желатин разрушается, и вода высвобождается.

В начале 1930‑х годов Кистлер выдвинул революционную идею: что, если удалить воду из вещества, оставив нетронутым желатиновый скелет? Учёный провёл серию экспериментов и опубликовал статью «Сплошные пористые аэрогели и желе» в авторитетном научном журнале Nature. Кистлер утверждал, что просто выпарить воду из желеподобных структур, не разрушив внутренний каркас, невозможно, а значит, нужно искать другой путь.

Проблему решили с помощью автоклава, одновременно создающего высокое давление и температуру. Жидкость в таком аппарате не закипает при температурах выше точки кипения, а если разогреть её до критической, содержимое перейдёт в пар, минуя стадию кипения. А ведь именно кипение разрушает внутренний скелет желе! Так Сэмюэль Кистлер открыл способ получения аэро­гелей — чрезвычайно лёгких веществ, в которых жидкость полностью заменена газом.

Первые опытные образцы походили на высушенную пену и были очень хрупкими. Тогда в качестве внутреннего скелета решили использовать диоксид кремния — главный компонент стекла. В итоге получился кварцевый аэрогель, самый лёгкий твёрдый материал в мире, на 99,8% состоящий по массе из воздуха.

На тёмном фоне аэрогель кажется голубоватым, а на свету его почти не видно. В этом веществе собственно вещества настолько мало, что свет в нём почти не преломляется. А причиной голубоватого оттенка является так называемое рэлеевское рассеяние. Мы можем наблюдать это явление в солнечный день — достаточно посмотреть на небо. Кванты солнечного света, попадая в земную атмосферу, сталкиваются с молекулами газов и отскакивают от них, то есть рассеиваются. Лучше других подобные «фокусы» проделывают кванты с меньшей длиной волны, отвечающие в солнечной гамме за голубой, поэтому небо над нами окрашено в этот замечательный цвет. Рэлеевское рассеяние очень слабое, и нужны многие километры атмосферной толщи, чтобы наш глаз его зафиксировал, — в школьных помещениях такой эффект заметен не будет. А в аэрогеле небольшой объём воздуха заперт внутри прозрачных стенок скелета с миллиардом крошечных внутренних граней, что резко усиливает рассеяние голубого света.

Цветок на пластине аэрогеля и газовая горелка

Аэрогель (лат. aero — воздух и gelatos — замороженный) называют по-разному: «голубой дым», «замороженный дым», «твёрдый газ». И все эти названия отражают те или иные свойства материала.

Больше всего поражают его термоизоляционные свойства: теплопроводность аэро­геля в шесть раз меньше, чем у воздуха! Тонкий слой аэрогеля способен уберечь хрупкий цветок от пламени горелки (то есть от температуры более 800°С). А лист «замороженного дыма» толщиной 2,5 см защитит руку от огня паяльной лампы. Всё дело в мелкоячеистой структуре вещества: в твёрдых порах диаметром 20 нм заключён воздух-термоизолятор. Если всю внутреннюю поверхность этого материала объёмом 1 см³ развернуть в плоскость, она займёт площадь футбольного поля! За уникальные термоизоляционные свойства аэрогель вписали в Книгу рекордов Гиннесса, но это отнюдь не единственное его выдающееся качество.

Твёрдое тело с самой низкой плотностью на планете — 0,003 г/см³ — эта характеристика аэрогеля также увековечена в книге мировых достижений. Всего же он упоминается там 15 раз. В частности, «твёрдый газ» обладает неплохой удельной прочностью: выдерживает нагрузку в 2000 раз больше собственного веса.

Сэмюэль Кистлер запатентовал своё детище и продал лицензию на его изготовление компании «Монсанто». В 1948 году на рынок вышел «Сантогель» — кварцевый порошкообразный аэрогель. Но оказалось, что продукт опередил своё время, впрочем, как и исследования самого Кистлера: особого спроса на дорогой теплоизолятор не было. В те времена выгоднее было нагревать батареи, чем утеплять жилище инновационным аэрогелем, ведь энергоносители стоили очень недорого. Судьба «голубого дыма» не задалась: сначала его применяли в качестве наполнителя для красок, затем в качестве загустителя овечьих мазей от мушиных личинок и даже наполнителя напалмовых смесей. К середине 1960‑х от производства убыточного продукта вообще отказались.

7 февраля 1999 года эта сетка из алюминиевых ячеек, заполненных аэрогелем, была запущена на космическом корабле миссии Stardust. Одной из задач миссии был сбор кометной пыли с последующей доставкой её на Землю.

Вспомнили о чудо-материале спе­циалисты NASA, когда им понадобился чрезвычайно лёгкий теплоизолятор для работы в экстремальных условиях. В этом качестве аэрогель отправился в 1997 году к Красной планете в составе аппарата Mars Pathfinder. Со временем аэрогель стал частым гостем в космосе (в частности, он использовался в конструкции роверов Spirit и Opportunity, а также многоразовых кораблей Space Shuttle), и ему нашли новое, очень не­обычное применение.

Для изучения космической кометной пыли нужен был материал, способный мягко остановить частицу со скоростью 18 000 км/ч, не повредив её. Кроме того, материал должен был быть чрезвычайно лёгким (в космической технике каждый грамм на счету) и по возможности иметь прозрачную структуру, чтобы «застрявшую» космическую пыль можно было сразу обнаружить. Аэрогель подходил идеально — в 1999 году был запущен аппарат Stardust, оснащённый космическим пылеуловителем в форме теннисной ракетки. В 2004 году при сближении с кометой 81Р/Вильда Stardust неоднократно выставлял аэрогелевую ракетку, охотясь за частицами пыли. Аппарат сблизился с кометой до микроскопических для космоса 237 км! Пропутешествов 4 млрд км, в 2006 году Stardust вернул на Землю пылеуловитель с уникальными частицами вещества старше Земли.

Образец аэрогеля с частичками космической пыли

1. В изготовлении окон

Гораздо более «приземлённо» аэрогели используют при изготовлении оконного стекла airglass, которое практически не пропускает тепло. А в 2016 году «замороженный дым» поступил в розничную продажу, правда, цены кусаются: кусочек размером с ладонь стоит более 125 долларов. Пока широкое применение аэрогеля сдерживает именно его высокая стоимость.

Этот материал эффективно фильтрует воду за счёт нанопористой структуры, а аэрогели на основе окиси железа с алюминиевыми наночастицами обладают взрывчатыми свойствами.

2. В спорте

Нашлось место «твёрдому газу» и в спортивном инвентаре — в усиливающих элементах теннисных ракеток Dunlop.

3. При пожарах

В США разработан аэрогель под названием FireIce, способный защитить человека и конструкции от мощного теплового потока. Инновационный продукт предполагают использовать в системах пожарной безопасности, а также как конструкционный материал авиационных и ракетных двигателей.

4. В нефтяной отрасли

Перспективно выглядит применение нанопористой структуры аэрогеля для сорбции нефти с поверхности воды и осушения газов.

5. В строительстве

Строители широко используют в качестве утеплителей материалы Pyrogel, Cryogel и Spaceloft, разработанные компанией Aspen Aerogels и содержащие определённый процент частиц аэрогеля.

6. В медицине

Адсорбционную способность аэрогеля заметили медики и предложили использовать его для доставки лекарственных средств в организме человека. Основу из оксида кремния заменили на природный полисахарид альгинат натрия, получаемый из бурых водорослей, — в результате аэрогель стал биосовместимым и впитывает гораздо больший объём лекарств, чем его предшественники.

7. Другие применения

Расширяется не только спектр применения нового материала, но и его состав. На данный момент кроме кварцевого известны аэрогели на основе аморфного кремнезёма (SiO₂), углерода (C), кремнезёма с добавками гадолиния (Gd) и тербия (Tb), оксидов цинка (ZnO), хрома (Cr₂O₃), олова (SnO₂), вольфрама (WO₃), железа (Fe₂O₃). Каждый год исследовательские центры по всему миру расширяют этот список.

Увы, но Сэмюэль Кистлер успел увидеть лишь, как постепенно угасает интерес к его детищу; учёного не номинировали на Нобелевскую премию и чуть вообще не забыли о его открытии. Однако последние десятилетия дают надежду на возрождение «замороженного дыма». Как и с другими суперматериалами, осталось решить одну-единственную проблему: снизить стоимость производства. Как только аэрогели станут доступнее, многое в мире изменится в лучшую сторону.