Новосибирские физики испытали аэрогель для будущего коллайдера
В чем суть метода?
Заряженная частица, проходя через аэрогель, производит вспышку черенковского излучения, то есть образует фотоны. Они излучаются под определенным углом к направлению движения частицы, который зависит от ее скорости. Зная координаты зарегистрированных фотонов, можно установить скорость частицы, что позволяет определить ее тип.
Что такое аэрогель?
Аэрогель — это твердый материал с рекордно низкой плотностью. Он состоит из очень маленьких частиц диоксида кремния, которые соединены в хаотические цепочки, и образуют сеть мезопор. Основная его составляющая — до 99,8% — воздух. Аэрогель обладает очень низкой теплопроводностью, благодаря чему выдерживает экстремально низкие и высокие температуры.
Новосибирский аэрогель обладает важным свойством — хорошей прозрачностью. Фото Натальи Купиной
Где используют новосибирский аэрогель?
Аэрогель Института ядерной физики и Института катализа СО РАН использовался в эксперименте LHCb (ЦЕРН), а сейчас применяется в проекте DIRAC (ЦЕРН). На Международной космической станции установлен универсальный детектор AMS02, в составе которого также используется новосибирский аэрогель.
Кроме того, блоки новосибирского аэрогеля используются в детекторе КЕДР коллайдера ВЭПП-4 М ИЯФ СО РАН. Для детектора СНД коллайдера ВЭПП-2000 ИЯФ СО РАН новосибирские ученые создали особый сверхплотный аэрогель.
В проектируемом в Институте ядерной физики СО РАН коллайдере Супер С-тау фабрика также предполагается использование этого материала для регистрации элементарных частиц. Уникальность предложения новосибирских физиков — в использовании четырехслойного фокусирующего аэрогеля, который умеют производить только в Институте катализа СО РАН.
Ученые успешно испытали прототип и убедились, что он эффективно работает. Но разработка на этом не заканчивается — продолжается тестирование, выбор конкретных технических решений, оптимальной электроники и фотонных детекторов.
Образец аэрогеля. Фото Светланы Ерыгиной
Зачем нужна Супер С-тау фабрика?
Супер С-Тау фабрика — это электрон-позитронный коллайдер, который планирует построить ИЯФ СО РАН. Основная цель экспериментов на Супер С-Тау фабрике — изучение процессов рождения очарованных кварков и тау-лептонов, поиск новых физических эффектов, не описываемых Стандартной Моделью. Периметр ускорителя — около 800 метров, он будет расположен под землей на глубине более 10 метров. Стоимость реализации проекта Супер С-тау — около 40 млрдрублей.
«Физика с-кварков, доступная для изучения на этом коллайдере очень богата, — говорит член Совета Супер С-тау фабрики Люси Линссен (ЦЕРН). — Например, при сканировании по энергии можно наблюдать многие резонансные состояния, которые появляются при определенном значении энергии сталкивающихся частиц, и детально их изучить. Также можно изучить чармоний, состоящий из с-кварка и анти-с-кварка, и многие другие частицы (мезоны, барионы), содержащие очарованные кварки. Таким образом, Супер С-тау фабрика в Новосибирске обеспечит богатую физическую программу на многие годы».
При подготовке использована информация пресс-службы ИЯФ СО РАН
Что такое гель
Итак, в основе уникальных свойств аэрогелей в первую очередь лежит их пространственная структура с крошечными открытыми порами. Материал стенок, безусловно, также имеет значение. Например, от него в значительной мере зависят механические свойства, а также электропроводность конкретного аэрогеля.
Но как на практике можно получить такие замысловатые полые «пузырики» с твердыми стенками? Ответ кроется в названии самого материала. Именно гели являются исходным материалом для создания аэрогелей. Те самые гели, влажные и тяжелые, вроде холодца. Всем известный желатин, между прочим, также подходит для создания этого наноматериала. Кстати, а что такое гель? На ощупь мы все хорошо представляем себе эту субстанцию, но что она представляет собой на микроуровне? Оказывается, любой гель состоит из двух компонентов с разными физическими свойствами: твердой фазы в виде непрерывной пористой пространственной структуры, пронизывающей весь образец, и жидкой фазы, заполняющей поры. Причем характерный размер твердой фазы — как раз десятки нанометров, ведь твердая фаза в гелях — это обычно конгломераты наночастиц или длинных макромолекул.
Типичный гель можно себе представить в виде поролоновой губки для мытья посуды, пропитанной жидкостью. Только поры в такой губке в сотни тысяч раз меньше, чем в той, что у нас на кухне. А что получится, если удалить всю жидкость из такой губки? Получится сухая губка с заполненными воздухом порами. Так ведь это и есть аэрогель! Выходит, что для получения этого материала достаточно просто высушить любой гель? К сожалению, нет. Практика показывает, что при испарении жидкой фазы гель начинает быстро уменьшаться в объеме и, в конце концов, мы получим маленький плотный комочек сухого вещества, а не желаемый пористый наноматериал со сверхмалой плотностью. Но почему поролоновая губка высыхает, не уменьшаясь в объеме, а ее гелевый аналог ведет себя совершенно по-другому? И как с этим бороться?
Собственно говоря, коренным отличием нашей модели с губкой от реального геля являются размеры пор: у губки они исчисляются миллиметрами, а у гелей – десятками нанометров, то есть разница составляет примерно пять порядков. Теперь представим себе, как происходит испарение жидкости из пор: в какой-то момент жидкость перестает полностью их заполнять, и появляется граница между жидкостью и парами этой жидкости, смешанными с воздухом. Как известно, на границе жидкости всегда действуют силы поверхностного натяжения, которые приводят к взаимодействию поверхности жидкости и стенок сосуда (в нашем случае стенок пор). Если стенки хорошо смачиваются, то поверхность жидкости приобретает вогнутую форму и на стенки действует сила, тянущая их внутрь сосуда. Величина этой силы, приходящаяся на единицу длины стенки поры вдоль границы жидкости, не зависит от радиуса поры. Но при этом в геле стенки этих пор в тысячи раз тоньше, чем в нашей губке. Получается, что прилагаемая к стенкам удельная сила в геле и в губке одна и та же, а вот толщина этих стенок и, соответственно, их механическая прочность — совсем разные. Не удивительно, что поры губки выдерживают высыхание наполняющей их жидкости, а поры геля — нет. Отсюда и «скукоживание» геля при высыхании — поверхность жидкости в порах просто ломает хрупкие стенки одну за другой по мере испарения, и в результате мы получаем сухой слипшийся комок из изломанных стенок, а не ажурную конструкцию, свойственную аэрогелям.
Производство аэрогеля
Процесс производства аэрогеля достаточно сложный. Сначала гель под воздействием определенных химических реакций полемиризуется. Затем из железообразного продукта удаляется жидкость. Далее при участии сжиженного газа материал подвергается процедуре полного высыхания. Эта процедура осуществляется в специальном автоклаве при очень высоком давлении и повышенном температурном режиме. В результате чего этот материал обладает нано — пористой структурой, сверх низкой теплопроводностью, высокой удельной поверхностью и не высокой диэлектрической постоянной.
Применение Аэрогеля
Аэрогели применяются в строительстве и в промышленности в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов для теплоизоляции стальных трубопроводов,различного оборудования с высоко- и низкотемпературными процессами, зданий и других объектов. Он выдерживает температуру до 650°C, а слоя толщиной 2,5 см достаточно, чтобы защитить человеческую руку от прямого воздействия паяльной лампы.
Температура плавления кварцевого Аэрогеля составляет 1200°C.
Использование
Помимо многочисленных технических применений, обусловленных вышеперечисленными уникальными свойствами, аэрогель известен прежде всего использованием в проекте «Стардаст» в качестве материала для ловушек космической пыли.
Поскольку показатель преломления аэрогелей занимает промежуточное положение между показателями преломления газообразных и жидких (твёрдых) веществ, аэрогель используется как радиатор в черенковских детекторах заряженных частиц.
Аэрогели могут использоваться в качестве газовых и жидкостных фильтров.
В начале 2006 некоторые компании, например, United Nuclear [6] , заявили о начале продаж аэрогеля организациям и частным лицам. В зависимости от размера и формы образца, цена составляет от $25 (фрагменты) до $125 (кусочек, помещающийся на ладони).
В настоящее время на основе аэрогеля изготавливаются теплоизоляционные материалы для промышленного применения.
Аэрогель, что это за материал?
Аэрогель (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной, вследствие чего вещество обладает рекордно низкой плотностью, всего в полтора раза превосходящей плотность воздуха, и рядом других уникальных качеств: твердостью, прозрачностью, жаропрочностью , чрезвычайно низкой теплопроводностью и отсутствием водопоглощения.
Нередко аэрогель называют “замороженным дымом” из-за его внешнего вида. С виду он чем-то походит на застывший дым. На ощупь аэрогель напоминает легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта.
Аэрогель 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 приходится на поры.
Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов.
Распространены аэрогели различной природы: как неорганической – на основе аморфного диоксида кремния (SiO2) , глинозёмов (Al2O3), графена (называется аэрографен), графита (называется аэрографит ), а также оксидов хрома и олова, так и органической – на основе полисахаридов, силикона, углерода . В зависимости от основы аэрогели проявляют различные свойства. Вместе с тем имеются общие свойства, характерные для всего класса данного материала.
Как теплоизолятор изготавливается в виде матов, рулонов.
На десять лет вперед: 5 самых перспективных материалов будущего
Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.
Графен
Пожалуй, самым перспективным материалом, который будет использоваться в технике будущего, является графен. С теоретической точки зрения, в нем нет ничего сложного – это всего лишь слой углерода толщиной в один атом. Десятилетиями ученые и инженеры рассуждали о том, какие преимущества возможны при использовании графена, но лишь несколько лет назад удалось его получить.
Случилось это практически случайно. Ученые из Университета Манчестера Андрей Гейм и Константин Новоселов сначала в качестве забавы решили исследовать куски обычного скотча, который используется в виде подложки для графита при работе с туннельным микроскопом. Используя клейкую ленту, они начали отлеплять углерод слой за слоем и в итоге получили то, что до этого считалось невозможным, – идеально ровный слой углерода толщиной в один атом, то есть графен.
Ожидает, что графен станет основой для техники будущего. Ведь электроны в нем передвигаются в сотни раз быстрее, чем в кремнии, а это позволит делать совершенно миниатюрные и производительные микросхемы.
Графен можно использовать для хранения энергии в аккумуляторах и прочих топливных элементах, а также в оптике, создании гибких дисплеев и даже в очистке жидкостей – графеновая пленка, как оказалось, пропускает молекулы воды и задерживает все остальное.
Наиболее оптимистически настроенные ученые и инженеры заявляют о возможной «графеновой революции». Но произойдет это не раньше, чем через 10 лет.
Vantabalck
Разработанный британской компанией Surrey Nanosystems материал с названием Vantabalck называют «самым темным материалом на Земле». Дело в том, что он поглощает около 99,96% попадающего на него света, что приближается к параметрам Черных дыр.
Vantabalck состоит из графитовых нанотрубок, каждая из которых примерно в 10 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Их диаметр настолько мал, что фотоны света банально не могут просочиться между ними, а это дает огромное количество возможностей при использовании данного материала в технике.
Создатели Vantabalck уже ожидают, что их детище будут использовать для поглощения сторонних источников света в оптических приборах, к примеру, в телескопах. Перспективным видится применение данного материала в системах тепловой защиты, а также в электронике.
Но в компании Surrey Nanosystems заявили, что они ни в коем случае не будут сотрудничать со структурами из оборонной промышленности.
Графеновый аэрогель
Пока одни ученые учатся создавать в промышленных объемах слой углерода толщиной в один атом, другие пытаются превратить графен снова в объемную структуру, но чтобы он при этом не терял свои функции. Так и получился графеновый аэрогель – самый легкий в мире материал.
Плотность этого аэрогеля составляет всего 0.16 мГ/см3, что позволяет ему по данному показателю находиться между газообразным гелием и газообразным водородом. Но графеновый аэрогель является не газом, а пористой структурой с уникальными данными.
Всего один грамм графенового аэрогеля может за секунду поглотить 68,8 грамма не растворяемой в воде жидкости. А это позволяет использовать его, к примеру, при сборе нефти после аварий на танкерах или добывающих платформах.
Возможно применение графенового аэрогеля также в системах аккумулирования энергии в качестве катализатора некоторых реакций и наполнителя для сложных композитных материалов.
Willow Glass
Willow Glass – это один из перспективных вариантов знаменитого стекла Gorilla Glass, которое в последние годы активно применяется при создании экранов мобильных устройств. Сохранив все преимущества «гориллы», в частности, хорошую сопротивляемость к царапинам и ударам, новый его вариант получит совершенно новые возможности, а именно – сгибаемость.
Продемонстрированные экземпляры стекла Willow Glass можно сгибать в разные стороны, но оно не потеряет свою прочность и функциональность. При этом толщина материала вполне сравнима с толщиной листа бумаги формата А4.
Ожидается, что мобильные устройства в самом недалеком будущем станут гибкими. А Willow Glass – это именно то стекло, на основе которого будут создаваться их экраны.
Starlite
Starlite – это один из самых загадочных и, одновременно, перспективных материалов современности. Его создал более двадцати лет назад британский химик-любитель Морис Уорд, но с тех пор, благодаря жадности изобретателя, этот пластик так и не был запущен в массовое производство. А зря.
Ведь Starlite обладает уникальными физическими свойствами. Сам Уорд утверждал, что этот пластик может выдержать практически любой нагрев вплоть до температуры атомного взрыва. Последнее не доказано, но паяльную лампу с ее 1000 градусов по Цельсию этот материал легко выдерживает.
Starlite можно было бы использовать при производстве защитных костюмов для спасателей, в строительстве, автомобильной, авиационной и даже космической промышленности – другие ученые не смогли даже близко приблизиться к характеристикам Starlite.
Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:
Виды аэрогелевого утеплителя
Для строительных нужд продукт выпускается в виде рулонов. Это стекловолокнистый материал, который содержит в себе порошок из аэрогеля. На свойства теплоизолятора влияют:
• химический состав материала;
• структура основы;
• внешнее покрытие изделия.
Выделяют несколько типов аэрогелевых утеплителей. Классификация учитывает температуру применения продукта. Чаще всего используют кремниевые изоляторы с незначительным введением оксида алюминия. Такие материалы могут выдерживать до 450°С. Есть компоненты, которые не боятся температуру в 700°С. Для получения такого продукта прибегают к добавке оксида титана. При увеличении теплотворных показателей у аэрогеля начнут ухудшаться другие важные параметры. Это связано с окислением вещества.
Выпускают композиции и для низких температур. Они обладают многослойной структурой. Качество паропроницаемости у таких материалов отсутствует. Их активно применяют для утепления холодных помещений. Показатели аэрогеля не ухудшатся даже при достижении области абсолютного нуля.
Сегодня производители предлагают несколько видов энергоэффективных изоляторов. Пирогель – материал для утепления промышленных трубопроводов, техники, работающей с высокой температурой. Криогель предназначен для утепления труб и техники, работающей с низкими температурами. Спейслофт создан экспертами для изоляции конструкций, расположенных в разных климатических условиях.
Обособленно в группе теплоизоляторов стоит Спейслофт Сабси. Данный материал используют для утепления системы типа «труба в трубе», которая находится на большой глубине. Чехлы съемные применяют для изоляции промышленных установок, работающих с высокими температурами. Цена теплоизоляции с аэрогелем зависит от ее назначения и толщины.
Материал позволяет решать различные задачи. Он утепляет конструкции любых размеров. Кроме трубопроводов, прокладка используется при монтаже:
• емкостей:
• запорно-регулирующей арматуры;
• приборов, контролирующих производственных процессы.
Продукт применяют для утепления систем внутри помещения.
«Грибные» дома
Оказывается, грибы – превосходный строительный материал. Впервые эта идея появилась у американцев.
Компания Ecovative была основана выпускниками политехнического института. По мнению ее основателей, Гэвина Макинтайра и Эбена Байера, из грибницы можно получать самый разный материал. Не только для строительства, но и для производства обуви или мебели. Грибница представляет собой скопление тонких нитей, питающих гриб необходимыми ему микроэлементами. Она разлагает в земле органику (увядшую траву и т. д.). Во время этого процесса она выделяет вещества, склеивая субстрат, на котором она растет.
Создают материал из грибов следующим способом: соединяют грибницу и субстрат, расфасовывают получившуюся в результате субстанцию по формам и кладут в темное место. Через несколько дней грибница распускает нити, как бы цементируя субстрат. В ходе сушки и тепловой обработки грибницы убивают. Субстрат же становится готовым к применению. Технология проста и в то же время гениальна, поэтому грибы вошли в список удивительных материалов будущего.
Вперед в будущее
Исследование аэрогелей продолжается. Перед учеными стоит целый ряд задач: сделать материал прочнее, дешевле, а также обезопасить его производство. В 2002 году профессор Николас Левентис из Университета науки и технологий штата Миссури объявил о том, что разработал метод производства нехрупкого аэрогеля (раньше хрупкость была одной из основных проблем материала).
Вещества, созданные по методике Левентиса, получили наименование X-аэрогели — они более прочные и эластичные, но, с другой стороны, их производство весьма опасно и занимает больше времени. Ухудшились и изоляционные свойства. X-аэрогели могут найти применение в сфере производства брони, автомобильных шин, самолетов. Углеродные аэрогели можно применять для создания суперконденсаторов и топливных элементов.
Сделай сам На сайте aerogel.org приведена пошаговая инструкция по изготовлению установки для сверхкритической сушки — того самого устройства, которое позволит получать аэрогели в домашних условиях, а также целый ряд инструкций по созданию аэрогелей различных типов.
Современная наука чаще всего базируется на исследованиях, которые проводятся в хорошо оборудованных лабораториях целыми институтами. Аэрогелем, как ни странно, может заниматься и ученый-одиночка — необходимое оборудование сравнительно доступно. Это открывает достаточно широкие возможности для исследований. В интернете можно найти целые сайты, посвященные методике и рецептам по изготовлению аэрогелей.
Но мы, кажется, так и не ответили на два важных вопроса, заданных в начале материала: действительно ли аэрогель может быть легче воздуха и почему китайский графеновый аэрогель стал сенсацией. Плотность различных аэрогелей обычно варьируется в пределах от 0,001 до 0,5 г/см 3 (чаще всего порядка 0,02 г/см 3 ) а плотность воздуха — 0,001225 г/см 3 .
То есть аэрогель действительно может быть немного легче воздуха — такой эффект достигается удалением воздуха из пор и замещением его газом, более легким, чем воздух. Китайские же ученые поставили рекорд, добившись плотности 0,00016 г/см 3 . Предыдущий рекорд сверхмалой плотности принадлежал материалу под названием аэрографит, созданному год назад немецкими учеными, — его плотность составляла 0,0002 г/см 3 .
Основное достижение китайцев не только в разработке нового метода получения аэрогеля и установлении рекорда, но и в отличных свойствах графенового аэрогеля: он удивительно эластичен (восстанавливается после 90%-ного сжатия) и способен абсорбировать количество жидкости (масла), в 900 раз превышающее его собственную массу. Вполне вероятно, новое вещество станет великолепным улавливателем океанического мусора и, что немаловажно, загрязняющих воду веществ, например нефти.
В общем, широкое практическое применение аэрогелей в повседневной жизни, как говорится, на носу. Правда, пока совершенно непонятны размеры этого носа.
