Материал, на 99% состоящий из воздуха

Аэрогель — это легкий высокопористый материал, обладающий рядом исключительных и даже уникальных физических свойств, которые привлекают внимание исследователей, работающих в различных областях науки и техники. Структуру аэрогеля образуют сферические кластеры из кварца диаметром примерно 0,004 мкм, формирующие трехмерную сетку, поры которой заполнены воздухом. Размеры пор в десять и более раз превышают размеры кластеров, что и позволяет получать очень легкий материал. Первые образцы аэрогеля появились относительно давно. Однако его производство, требующее высоких температур и давлений, оказалось непростой задачей.

Вот немного подробностей …

Первенство в изобретении признано за химиком Стивеном Кистлером (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне, Калифорния, США, опубликовавшим в 1931 году в журналеNature свои результаты.

Кистлер заменял жидкость в геле на метанол, а потом нагревал гель под давлением до достижения критической температуры метанола (240 °C). Метанол уходил из геля, не уменьшаясь в объёме; соответственно, и гель «высыхал», почти не ужимаясь.

В достаточно крупном масштабе оно было реализовано только в конце прошлого века, что в первую очередь было связано с потребностью в черенковских радиаторах с показателями преломления, заполняющими нишу между показателями преломления газов и конденсированных сред.

Как известно, черенковское излучение возбуждается в веществе заряженной частицей, если ее скорость превышает в нем скорость света, которая обратно пропорциональна показателю преломления вещества. Последний зависит от плотности вещества, которую в аэрогеле можно варьировать в широких пределах путем изменения его пористости.

В России есть только два места, где изготовляется аэрогель. Это Институт катализа в Новосибирске и Лаборатория ядерных проблем ОИЯИ (А.И.Филиппов, С.В.Филин и др.). Образцы аэрогеля, полученного в ЛЯП, имеют показатель преломления от 1,1 до 1,02, что позволяет достигать пороговые значения скоростей частиц от 0,91 до 0,98 относительно скорости света в вакууме. Как показали исследования этих образцов на спектрофотометре и их испытания на космических частицах и ускорителе ИТЭФ, по своим характеристикам они находятся на уровне лучших зарубежных образцов. Аэрогель с показателем преломления 1,1 успешно использовался в ЛФЧ ОИЯИ для диагностики сгруппированного пучка электронов. Достоинством аэрогеля при этом были его высокая стойкость к радиации и тепловой нагрузке.

Черенковское излучение выходит из радиатора в виде колец, по радиусу которых можно измерять скорость частиц. Определенной помехой для этого является значительное рэлеевское рассеяние света в аэрогеле из-за его высокой пористости. Однако, несмотря на это, наблюдение таких колец от аэрогеля оказалось возможным, что впервые было продемонстрировано В.П.Зреловым и Я.Ружичкой совместно с А.И.Воробьевым (ИЯИ, Новосибирск).

Пористая структура аэрогеля приводит к образованию в нем излучения, которое испускается при переходе частицы из одной среды в другую с отличающимся показателем преломления. Теоретическое и экспериментальное изучение переходного излучения и других явлений, возникающих в аэрогеле, легло, в частности, в основу достаточно большой части докторской диссертации Я.Ружички.

Кроме черенковских радиаторов, многообразны примеры использования аэрогелей и для других научных, а также прикладных целей. Вот некоторые из них.

Физика низких температур. Аэрогель оказался очень эффективным инструментом при исследовании свойств сверхтекучего гелия. Введение в поры аэрогеля сверхтекучего гелия привело к существенному изменению его свойств. Особый интерес к «загрязненной» таким образом сверхтекучей жидкости возник в связи с тем, что неизвестно о существовании каких либо веществ, которые бы в ней растворялись. Твердые частички аэрогеля, случайно разбросанные по всему объему жидкости, будучи чрезвычайно малыми, выполняют в ней роль псевдопримесей, концентрацию которых нетрудно изменять в широких пределах, используя аэрогель с различной пористостью, вплоть до 99,5 процента. Это вызвало большой интерес к аэрогелю и появлению фактически нового направления в исследованиях сверхтекучести. Немаловажным обстоятельством при этом является то, что имеется много общего в характере влияния примесей на свойства текучего гелия-3 и сверхпроводящих материалов.

Лазерные эксперименты. При облучении мишени, состоящей из плотной и легкой среды (аэрогеля), мощным импульсным лазером возникает сильный терморадиационный удар, который приводит к смешиванию этих сред и другим явлениям в месте их соприкосновения. Изучение такого эффекта важно, в том числе, и для объяснения явлений, возникающих при взрыве сверхновых звезд.
Акустика. Среди твердых материалов высокопористый аэрогель обладает минимальным акустическим импедансом, который может задаваться путем изменения плотности аэрогеля. При использовании аэрогеля в качестве согласующего интерфейса между твердотельным генератором звука и воздухом, импедансы которых сильно различаются, выход звука возрастал в сотни раз.
Микроэлектроника. Аэрогели обладают самыми низкими диэлектрическими константами, и использование их, например, в качестве изоляционных слоев в многослойных печатных платах позволяет значительно повысить быстродействие электроники.

Захватывающая среда. Аэрогель используется для регистрации космической пыли и мелких высокоскоростных частиц разного рода происхождения. При соударении с плотным твердым веществом такие частицы расплавляются или даже испаряются, Аэрогель обеспечивает достаточно плавное снижение скорости частиц, а также, будучи прозрачным материалом, дает возможность наблюдать их треки.

Ведутся работы (в США) по обнаружению с помощью аэрогеля вредоносных микроорганизмов в воздухе. Введенные в поры аэрогеля бактерии определенного сорта теряют там свою подвижность. При взаимодействии с ними микроорганизмов, содержащихся в потоке воздуха, образуется сцинтиллирующее вещество, свет из которого регистрируется фотодетектором.

Благодаря большой суммарной площади пор аэрогеля возможно изготовлять на его основе высокоэффективные фильтры различного назначения. Теплоизоляция. Аэрогель привлекателен тем, что обладает очень низкой теплопроводностью и сильно поглощает инфракрасное излучение.

Ю. Акимов,
главный научный сотрудник ЛЯП