Аэрогели представляют собой пористые материалы с чрезвычайно низкой плотностью и высокой удельной поверхностью. Их уникальные свойства определяются структурой, формируемой на стадии синтеза, где ключевую роль играют процессы гелеобразования, обезвоживания и модификации поверхности.
Сол-гель метод является базовым подходом для получения аэрогелей. Он включает несколько этапов:
Гидролиз и конденсация прекурсоров: На первой стадии органические или неорганические прекурсоры (чаще всего металлоорганические соединения, например, тетраэтоксисилан для силикатных аэрогелей) подвергаются гидролизу с образованием коллоидного раствора (сола). Процесс сопровождается частичным поликонденсационным связыванием молекул и формированием трехмерной сетки.
Гелеобразование: Соль постепенно превращается в гель за счёт дальнейшей поликонденсации и укрупнения структуры. Важным фактором является контроль скорости реакции и уровня катализации (кислотные или щелочные катализаторы), что определяет размер пор и однородность структуры.
Возрастание геля: После формирования геля он выдерживается в течение определенного времени, что способствует укреплению связей и увеличению прочности скелета. Этот этап критически важен для предотвращения коллапса структуры при последующем обезвоживании.
Существует несколько способов удаления жидкости из геля, ключевым требованием является сохранение пористой структуры:
Сверхкритическое высушивание: Гель помещается в жидкость (например, этанол), которая затем переводится в сверхкритическое состояние. При этом отсутствует поверхность раздела жидкость-газ, что предотвращает капиллярное давление и разрушение пор. Сверхкритическое высушивание обеспечивает максимальное сохранение наноструктуры и минимальную усадку.
Замораживание и лиофилизация: Вода или растворитель замораживаются, после чего сублимируются под вакуумом. Этот метод чаще применяется для органических аэрогелей или гибридных систем, где необходима мягкая обработка.
Воздушное или обычное высушивание с модификацией поверхности: В геле проводят химическую обработку (например, силанизацию), снижающую поверхностное натяжение, что позволяет высушивать материал без разрушения структуры. Этот метод менее дорогой, но часто приводит к некоторому уменьшению удельной поверхности.
При синтезе органических аэрогелей в качестве прекурсоров используются фенолформальдегидные смолы, полиуретаны, полимеры на основе целлюлозы и другие высокомолекулярные соединения. Механизм образования геля аналогичен неорганическому, однако важным аспектом является контроль полимеризации для получения тонкой пористой сети. Гибридные аэрогели создаются путём включения органических компонентов в неорганический скелет, что позволяет комбинировать механическую прочность с низкой теплопроводностью.
После формирования аэрогеля его поверхность может быть химически модифицирована для улучшения гидрофобности, адсорбционных свойств или каталитической активности. Наиболее распространённые методы включают:
Силанизация: Введение органосиланов с гидрофобными группами на поверхность пор увеличивает устойчивость к влаге и уменьшает усадку при сушке.
Ионная или катионная функционализация: Позволяет получить материал с каталитической активностью или повышенной адсорбционной способностью для специфических молекул.
Инкапсуляция наночастиц: Включение металлов, оксидов или других наночастиц в пористый скелет позволяет создавать композитные аэрогели для катализа, сенсорики и оптических приложений.
Размер пор, удельная поверхность и плотность аэрогеля зависят от следующих факторов:
Микропоры (<2 нм) формируют высокую удельную поверхность и хорошую адсорбционную способность, мезопоры (2–50 нм) обеспечивают быстрый транспорт молекул, макропоры (>50 нм) снижают плотность и улучшают механическую упругость.
Синтез аэрогелей с контролируемой структурой позволяет создавать материалы с уникальными свойствами: термоизоляционные покрытия, адсорбенты токсинов и органических соединений, каталитические носители, сенсорные элементы, электроизоляционные материалы и носители для доставки лекарств. Каждое применение требует тонкой настройки параметров синтеза, что делает химию поверхности и контроль пористой структуры ключевым аспектом науки о аэрогелях.