Аэрогель — самый легкий твердый материал

— Это — аэрогель. Самый легкий, наименее плотный твердый материал. Этот кусочек весит один и двадцать два грамма, — всего в несколько раз тяжелее того же объема воздуха, ведь аэрогель на девяносто девять и восемь процента воздух. Если из некоторых подобных материалов убрать воздух, оставшееся будет еще менее плотным.

Я уже давно просто в восторге от этого материала, и наконец решил слетать в Бостон, на фабрику, где его производят, узнать, кто его придумал, как его изготавливают, почему это отличный теплоизолятор и где его применяют.

Сейчас проведем эксперимент, чтобы продемонстрировать термоизоляционные свойства аэрогеля. Вот — горелка номер один со стеклянной чашкой петри, а сюда мы положили кусочек аэрогеля.

И то, и другое —  диоксид кремния, просто с разной физической структурой.

Теперь посмотрим, за какое время растают наши шоколадные кролики.

Итак, для наблюдения мы используем тепловизор Эф-эл-ай-эр Тэ- тысяча двадцать, который различает температуру до двух тысяч градусов Цельсия.

— Похоже, нагревается быстро.

— Да, тут неплохо видно, что стекло довольно сильно нагрелось.

И через пару минут…

— Дым пошел.

— Эм.. ну, да.

— Заяц тает и дымит. О, вот, процесс пошел. Мы, я бы сказал, наблюдаем фазовый переход.

— Итак… есть горячий шоколад! Кролик активно дымиться, а с этой стороны начал переваливаться через край, постепенно заваливается на бок.

— Хорошо. Прошу зафиксировать плавление.

— Что хрустнуло?

— Как по часам, идеально.

Запишите: отказ материальной части.

— Мало того, что кролик быстро растаял, из-за теплового расширения лопнула и сама чашка Петри.

— Сам поставишь?

— Настала очередь аэрогеля. 

Кто же его изобрел? 

— В тысяча девятьсот тридцать первом Профессор Самюэль Кистлер поспорил со своим коллегой, Чарльзом Лернедом..

— Ученые спорили о желе. О том самом вкусном упругом десерте. Что любопытно, желе — это смесь твердой и жидкой фазы. По большей части — это жидкость, но она включена в трехмерную твердую структуру.

— Представьте гель или желе — у них есть скелет из нанопор, придающий им жесткость, но это лишь один процент от общей массы.

— Спор был о том, можно ли удалить из желе всю жидкость, не повредив при этом твердую часть. При выпаривании возникает проблема: древовидная структура геля при высыхании сжимается, так как испаряющаяся жидкость тянет за молекулы твердого вещества, по сути, разрушая структуру изнутри.

Самуэль Кистлер решил эту проблему в два этапа. Во-первых, он понял, что одну жидкость внутри желе можно заменить на другую, по-сути, просто хорошенечно его промыв. Скажем, можно заместить воду спиртом. Затем, если положить желе в камеру высокого давления, автоклав…

— Нагреваясь при высоком давлении, вещество достигает критической точки и переходит в полужидкое полугазообразное состояние — сверхкритическую жидкость.

— В таком состоянии газ и жидкость, по сути, ничем не отличаются. Молекулы вещества теряют связи.

— После этого вы сбрасываете давление и остается лишь твердый скелет, один процент от общей массы геля. Без деформации — просто вместо жидкости в нанопорах теперь газ. Этот скелет с крошечными прорехами и называется аэрогель.

— Кистлер опубликовал результаты своей работы в Нэйчер в тридцать первом году.

Тоже греется, через тепловизор это хорошо заметно.

Но вот прошло уже три минуты, а шоколад даже не собирается таять.

Сейчас возьмем термопару и проведем контрольный замер температуры пламени непосредственно под кроликом, точнее сказать, под аэрогелем. 

На самом деле, как видите, кролик нагревается, но не снизу, а, вот тут: нос и грудка, по краям.

— Именно. Горячий воздух за счет конвекции поднимается и обтекает аэрогель. 

— Термопара раскалилась до красна.

— Через четыре минуты заяц заметно размяк.

— Весьма неплохо, учитывая, как легко растопить шоколад.

— А можно пальцем потрогать?

— Только осторожно. 

Не то, что гель горячий, просто очень хрупкий.

— Хорошо.

— Но да, трогать можно спокойно.

— Да, на ощупь — просто теплый.

— Он превращал в аэрогель все подряд. Куриные яйца, различную резину, нитроцеллюлозу.

И, помимо прочего, диоксид кремния. У меня тут на столе приготовлены образцы различных гелей из него.

Вот, влажный диоксид кремния. Чем-то похож на резину, так что его можно просто подцепить. Девяносто семь процентов — спирт в порах, остальные три — твердый, аморфный диоксид.

— Можно потрогать?

— Да, конечно. Упругий, но не очень крепкий.

— Это я сломал или он таким уже и был?

—  Нет, это вы сломали.

— О, ого…

— Очень легко ломается и крошится.

— Следующий шаг: заменить алкоголь в геле жидким углекислым газом..

Сейчас посмотрим,. как выглядит жидкий цэ-о-два.

Преимущество жидкого цэ-о-два в том, что он не горит и обладает низкой критической температурой.

Итак, поехали…

— Видно, как заполняется…

— Да, заполняется, идет потихоньку. Как обычная жидкость.

— Сразу видно, что сверху он холодный.

Какая температура внизу?

— Сейчас шестьсот градусов.

— Шестьсот градусов Цельсия.

— Это тысяча двести пятьдесят по Фаренгейту.

— Обратите внимание, что кролик тает на самом-самом краю, где теплый воздух может обогнуть аэрогель и добраться до шоколада…

— Да, это явно… 

— Ну вот! Кролику конец!

— Он неплохо держался.

— Совсем неплохо. 

— Ничего страшного, если я шоколад попробую?

— Мерзко.

— Горячий?

— Теплый.

— Теплый?

— И вкусный.

— Как фондю.

— Отлично получилось

Теперь, когда диоксид углерода заполнил все поры, время для сверхкритического состояния.

— Когда я впервые увидел сверхкритическую жидкость, со мной приключилось духовное просветление. Сейчас поймете…

— Я просто в восторге от вашей любви к автоклавам.

— Обожаю аэрогель.

Теперь осталось лишь нагреть жидкость. Нам вполне пойдет фен.

— По мере приближения к критической точке, поверхность жидкости будто размывается.

Очень странно… какие-то ненормальные волны…

Я чуть ускорю, чтобы вы увидели, как поверхность буквально исчезает.

Перед вами жидкий углекислый газ в сверхкритическом состоянии.

Теперь, удаляем его, не затрагивая твердую структуру. То, что останется, и есть аэрогель.

Если поместить аэрогель на светлый фон, он станет практически невидимым, потому, что он почти полностью прозрачен. Но на темном фоне становится заметен слегка голубоватый оттенок.

Он обязан своим цветом тому же эффекту, что и небо: крошечные нанопоры рассеивают свет из-за рэлеевского рассеяния.

Интенсивность рассеиваемого света пропорциональна единице разделенной на длину волны в четвертой степени, а значит короткие волны вроде синего рассеиваются лучше, чем желтый или красный. 

Именно поэтому аэрогель не пропускает ультрафиолет, но выглядит прозрачным в инфракрасном свете.

Что произойдет, если посмотреть сквозь гель на голубое небо? Как вы думаете, что мы увидим? Какой-нибудь супер синий?

Нет, он становиться желтоватым. Именно из-за рассеивания синего света, пройти сквозь гель и достичь наших глаз могут только более длинные световые волны вроде желтого и оранжевого.

По сути, то же самое происходит, когда вы смотрите на закат.

Небо кажется вам желтым и оранжевым именно потому, что синий свет рассеялся из-за воздуха, сквозь который волнам приходится пройти на пути к нашим глазам.

Так что кусочек аэрогеля может стать вашим собственным карманным закатом.

Благодаря нанопорам он также служит отличным термоизолятором.

….три….

— Просто отлично.

— Ну как, горячий?

— Еще какой.

— Можно ошибочно подумать, что раз аэрогель на девяносто девять процентов состоит из воздуха, то и тепло он проводит также… но это не так.

Его теплопроводность гораздо ниже.

Все из-за того, что размер пор меньше, чем расстояние, которое в среднем пролетает молекула воздуха прежде, чем во что-нибудь врезаться — так называемый средний свободный пробег.

Из-за этого, быстрым горячим молекулам газа из нижних слоев очень трудно протолкнуться сквозь гель и принести тепло наверх.

Это называется “эффект Кнудсена”.

Очень странно… как-то не ожидаешь, что что-то прозрачное может так хорошо защищать от жара, но вот такой он, аэрогель.

Поэтому НАСА использовало аэрогель для термоизоляци на роверах Соджорнер, Спирит, Оппортьюнити, Кьюриосити и не собирается от него отказываться в дальнейшем.

Зачем на Марсе термоизоляция?

— Для электроники. Нельзя, чтобы она замерзала…. холодными марсианскими ночами… 

— Есть и более экзотическое применение — с помощью аэрогеля ловят частицы из хвоста кометы в рамках миссии Стардаст.

— Частицы летят со скоростью примерно шесть километров в секунду относительно аэрогеля. При столкновении, благодаря низкой плотности, но высокой пористости материала, когда частицы попадают внутрь, они тратят энергию на разрушение внутренней структуры аэрогеля, и в конце концов просто застревают.

Именно это вам и нужно, если хотите поймать частички пыли. Ведь при столкновении с твердой поверхностью, они останавливаются мгновенно.

И испаряются…

— Именно так.

— Есть ли у аэрогеля применение в повседневной жизни?

— Давно уже всем говорю: когда в Антарктике начнут строить небоскребы, термоизоляцию обеспечат аэрогелем.

— Почему вы так уверены?

— Потому, что всех будет заботить вопрос эффективной теплоизоляции — там же очень холодно.

— Логично.

— Так что вместо тридцати метров стеклопластика, можно использовать сантиметров пятнадцать аэрогеля.

— Сейчас ученые пытаются сделать производство дешевле, а сам материал — крепче.

— Небольшая эластичность у них все-таки есть.

— Понятно.

— Ну, совсем небольшая. Его легко сломать.

— И они уже многого добились. Например, ранние образцы аэрогеля были гидрофильными.

— Вот так. Это гидрофильный аэрогель.

— Так, теперь, выходит, этот кусочек бесполезен?

— По сути, да.

— Но есть способ сделать его водонепроницаемым. Если хотите узнать, как, и познакомиться с новым поколением аэрогелей, подписывайтесь на канал. Это видео, возможно, первое в новой трилогии.