Научные разработки РХТУ им. Д. И. Менделеева

8. Новые неорганические вещества, композиции и технологии их производства

АЭРОГЕЛИ

Область применения и назначения. В качестве основных сегментов промышленности, в которых аэрогели нашли своё применение, можно выделить следующие: фармацевтика, термо- и шумоизоляционные технологии, электроника, химия, медицина, биология, охрана окружающей среды, производство сенсоров и высокотехнологичных инструментов, энергетика, аэрокосмическая промышленность, исследования космоса, потребительские товары и военные технологии.

Краткое описание и основные технические характеристики. Аэрогели – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной без разрушения и/ или изменения начальной структуры.

Особенность аэрогеля, как физического объекта, заключается в том, что он представляет собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2-5 нм, жестко соединенных между собой. Этот каркас занимает малую часть объема от 0.13% до 15%, все остальное пространство приходится на поры.

В научной группе ведутся исследования по получению аэрогелей различной природы, как неорганической, так и органической. Получаемые неорганические аэрогели – на основе диоксида кремния, органические – на основе полисахаридов (альгинат натрия, крахмал). Активно ведутся работы по получению гибридных аэрогелей на основе альгината натрия с добавлением различных полимеров.

Одно из новых и перспективных направлений – это получение аэрогелей сверхнизкой плотности, которые могут быть использованы для черенковских детекторов, а также для проведения реакции контролируемого термоядерного синтеза.

Неорганические аэрогели на основе диоксида кремния. Площадь удельной поверхности таких аэрогелей варьируется в пределах от 600 до 1000 м2/г, а пористость может достигать 99%. Плотность аэрогелей на основе аморфного диоксида кремния может достигать значений 0.003 – 0.35 г/см3. Аэрогель на основе аморфного диоксида кремния может выдержать нагрузку во много раз превышающую его вес, а также является уникальным теплоизолятором. Образец такого аэрогеля выдерживает температуру до 500 °С, а слоя толщиной 2.5 см достаточно, чтобы защитить от пламени. Скорость распространения звука в аэрогеле имеет одно из самых низких значений для твердого материала (100 м/сек для аэрогелей с плотностью 0,07 г/см3), что является очень важным при создании шумоизоляционных материалов.

 
Монолиты аэрогеля различного состава и SEM-фотографии его структуры

Органические аэрогели на основе полисахаридов. Полисахариды являются одними из основных веществ, которые используются для создания биоматериалов в области биотехнологий, пищевой, косметической промышленности, медицине и фармацевтике.

Аэрогели на основе полисахаридов обладают высокой пористостью (90–99%) и сравнительно низкой плотностью 0.07–0.46 г/см3 и имеют большую площадь удельной поверхности (до 680 м2/г)

 
SEM-фотография структуры полисахаридных арогелей: слева – на основе альгината натрия, справа – на основе крахмала

Аэрогели сверхнизкой плотности.

Аэрогели, плотность которых не превышает 0.05 г/см3 принято называть аэрогелями сверхнизкой плотности. Такой материал представляет интерес для проведения реакции термоядерного синтеза. Его можно использовать как мишень рентгеновских лазеров или как радиатор в черенковских детекторах. Аэрогель такой плотности прозрачен, поэтому он может быть использован как носитель квантовых точек – такие системы могут быть использованы как биомаркеры, фотоэлементы или как основной компонент солнечных батарей.


SEM-фотография структуры аэрогеля сверхнизкой плотности

Преимущества (по сравнению с российскими и зарубежными аналогами). российских аналогов нет. Описываемая технология позволяет получать продукты с качественно и количественно новыми свойствами.

Степень освоения: получены опытные образцы аэрогелей различной природы с использованием технологий сверхкритических флюидов. Возможно получение аэрогелей как в форме монолитов, так и в форме микрочастиц.

Формы сотрудничества: предоставляются готовые образцы аэрогелей и разрабатываются новые способы получения аэрогелей и композитов на их основе различной природы и различного состава.

Представитель для контактов: д.т.н., профессор Меньшутина Н.В.

Телефон/ факс: (495)495-00-29

E-mail: chemcom@muctr.ru.

Web сайт: http://www.rs-pharmcenter.ru/