Аэрогель — самое легкое твердое вещество в мире

Изобретение и создание аэрогеля

В 1931 году человек, который был известен как профессор Стивен Кистлер, заключил пари со своим коллегой Чарльзом Лерндом. Пари разворачивалось вокруг желе.

Желе по своей сути является комбинацией жидкого и твердого. В том смысле, что оно по большей части является жидкостью, которая встроена в твердую трехмерную структуру.




Таким образом гель, как например желе, обладает неким скелетом с нанопорами, которые и придают веществу твердость. И этот скелет составляет примерно 1% от всего геля.

Суть пари заключалась в следующем: возможно ли извлечь всю жидкость из геля не повлияв при этом на твердую структуру? Если просто выпарить всю жидкость из геля, то его остаточная часть просто сожмется.

Стивен Кистлер решил эту проблему двумя способами. Во-первых, он смог выяснить, что в геле можно заменить одну жидкость другой при помощи тщательной промывки. Таким способом можно легко заменить воду в желе, например, на алкоголь. И затем, если вы поместите гель в камеру с высоким давлением, которая называется автоклав, и достичь в ней критически высокой температуры и давления, то жидкость перейдет в среднее состояние между жидкостью и газом, называемое сверхкритическая жидкость.

А как только вы сбросите давление в сосуде, твердый скелет, составляющий 1% от общей массы геля, останется неповрежденным, а на место жидкости в порах придет газ. Такое твердое вещество и получило название аэрогель. Кистлер опубликовал свое открытие в журнале Nature в 1931 году. Впоследствии ученый начал делать аэрогель из всего, чего только мог придумать. Он делал аэрогель из яиц, резины, нитроцеллюлозы.

Свойства

Помимо всего прочего, аэрогель обладает удивительными физическими свойствами. Если поместить аэрогель на белый фон, то его практически не будет видно. Однако на темном фоне аэрогель становится светло-голубым.







Аэрогель имеет голубой цвет по той же причине, что и небо. Все потому, что наноструктура вещества рассеивает голубой свет сильнее, чем желтый или красный.

Пористая структура аэрогеля делает этот материал отличным теплоизолятором.




Можно предположить, что раз аэрогель на 99.8% состоит из воздуха, то он должен обладать соответствующими свойствами теплопроводности, однако это совсем не так. Аэрогель гораздо слабее пропускает тепло.

Причина заключается в том, что ширина пор меньше, чем расстояние, которое преодолевают молекулы воздуха прежде чем во что-нибудь врежутся (свободный средний пробег).




Горячим и быстрым молекулам воздуха очень трудно проникнуть сквозь такой нанолабиринт, чтобы транспортировать тепло. Этот эффект называется кнудсеновская диффузия.

Использование

Из-за своих уникальных свойств НАСА использует аэрогель на марсоходе Соджоунер, Спирит и Оппортюнити, на ровере Кьюриосити, и планируют использовать этот материал и в дальнейших миссиях на Марс. Аэрогель позволяет электронике практически не охлаждаться в холодные марсианские ночи.

НАСА использует аэрогель и для более экзотических миссий, например для поимки пыли от комет, как части миссии Стардаст. Частицы движутся со скоростью примерно равной 6 км/с относительно аэрогеля. Поскольку аэрогель обладает малой плотностью и пористой структурой, то частицы не просто врезаются, а буквально вязнут в материале.