Аэрогели представляют собой уникальные наноструктурированные материалы с чрезвычайно низкой плотностью и высокой пористостью, достигающей 90–99%. Они состоят из трехмерной сетки наночастиц или полимерных цепей, соединённых между собой в виде скелета, окружённого воздухом. Основное отличие аэрогелей от ксерогелей заключается в методе удаления жидкости из геля: аэрогели получают с помощью сверхкритической сушки, минимизирующей капиллярные напряжения, тогда как ксерогели формируются при обычной испарительной сушке, что приводит к частичной усадке и снижению пористости.
Ключевые характеристики аэрогелей:
Ксерогели сохраняют структуру геля, но пористость у них ниже (50–90%), а удельная поверхность составляет 200–800 м²/г. Ключевое влияние на свойства ксерогелей оказывает скорость испарения растворителя: медленная сушка позволяет уменьшить внутренние напряжения и сохранить часть нанопористой структуры.
1. Сол-гель процесс: Основа получения аэрогелей и ксерогелей — химическая реакция с переходом раствора прекурсора в гель. Этот метод включает несколько стадий: гидролиз и конденсацию металлических алкоксидов или органических мономеров, формирование трёхмерной сетки и последующую сушку.
2. Сверхкритическая сушка (для аэрогелей): Растворитель в геле заменяется на сверхкритическую жидкость (например, CO₂ при давлении >7,38 МПа и температуре >31°C). Это предотвращает капиллярное разрушение пор и позволяет сохранить высокую пористость и низкую плотность.
3. Испарительная сушка (для ксерогелей): При обычной сушке растворитель постепенно испаряется, что вызывает усадку и агрегацию частиц. Этот метод проще, но приводит к снижению пористости и увеличению плотности.
4. Замораживающая сушка: Используется для получения пористых структур с минимальными разрушениями сетки. Замораживание растворителя с последующей сублимацией позволяет формировать микропоры и мезопоры.
Аэрогели могут быть неорганными, органическими и гибридными:
Ксерогели обычно изготавливаются из аналогичных материалов, но их плотность выше, а пористость и удельная поверхность ниже.
Пористость и удельная поверхность: Аэрогели обладают ультрамелкой нанопористой структурой, что делает их высокоэффективными сорбентами для газов и жидкостей. Ксерогели, из-за усадки, имеют более крупные поры и меньшую удельную поверхность.
Теплопроводность: Низкая плотность аэрогелей уменьшает теплопередачу за счёт минимального числа контактов между частицами и преимущественного содержания воздуха. Ксерогели имеют более высокую теплопроводность из-за большей плотности.
Механическая прочность: Аэрогели отличаются хрупкостью при сжатии, тогда как ксерогели, обладая меньшей пористостью, демонстрируют относительно большую механическую устойчивость.
Химическая устойчивость: Силикатные аэрогели устойчивы к окислению и действию большинства кислот, полимерные аэрогели подвержены термическому разложению, гибридные материалы демонстрируют комбинированные свойства.
Теплоизоляция и строительные материалы: благодаря низкой теплопроводности аэрогели применяются в космической технике, строительстве энергоэффективных зданий, а также в промышленных печах.
Катализ и сенсорика: металлические аэрогели с высокой удельной поверхностью используются в катализаторах, электрохимических сенсорах и топливных элементах.
Адсорбенты и фильтры: аэрогели и ксерогели применяются для очистки воздуха и воды, захвата токсичных газов и тяжелых металлов.
Энергетика: полимерные аэрогели используются для изготовления легких аккумуляторов и суперконденсаторов, а гибридные структуры применяются в солнечных элементах и термоэлектрических устройствах.
Медицина: биосовместимые аэрогели служат носителями лекарственных веществ, способствуя контролируемому высвобождению.
Размер пор, толщина скелета и взаимодействие частиц определяют физические свойства аэрогелей и ксерогелей. Уменьшение толщины стенок пор повышает удельную поверхность и адсорбционную способность, но снижает механическую прочность. Контроль степени гидрофобности позволяет управлять водопоглощением и совместимостью с органическими растворителями.
Аэрогели и ксерогели представляют собой яркий пример того, как наноструктурирование материала позволяет создавать уникальные сочетания легкости, пористости и функциональной активности, недостижимые в макроскопических материалах.