Самый легкий в мире материал станет доступнее — Naked Science
9 минут
РХТУ им. Д.И. Менделеева

Самый легкий в мире материал станет доступнее

4.9

Ученые РХТУ оптимизировали процесс сверхкритической сушки для производства аэрогелей. Их используют для изготовления теплоизоляционных материалов, в различных медицинских целях и даже в космосе — из них делают ловушки для космической пыли, способные захватывать самые мелкие частицы.

Образцы аэрогелей, синтезированных в работе / ©Изображение предоставлено авторами исследования /

Аэрогели — это высокопористые структурированные материалы, внутренние пустоты которых заполнены газом. У них очень низкая плотность и теплопроводность, а также одновременно высокая твердость и прозрачность, благодаря чему аэрогели применяют для теплоизоляции и других задач. Однако, один из ключевых этапов получения аэрогелей — сверхкритическая сушка — очень дорогостоящий, что ограничивает возможности использования этих материалов.

В новой работе ученые из РХТУ имени Д. И. Менделеева показали, что, оптимизируя технологические условия проведения сверхкритической сушки, можно без ухудшения качества материала заметно ускорить этот процесс и снизить затраты сушильного агента, что делает синтез аэрогелей более доступным. Результаты работы опубликованы в журнале Drying Technology.

Обычный гель — это трехмерный сетчатый каркас с большим количеством пор, заполненных жидкостью. Аэрогели отличаются от обычных гелей тем, что жидкая фаза в них полностью замещена газообразной. У них маленькая плотность и одновременно высокая твердость, прозрачность, жаропрочность, а также чрезвычайно низкая теплопроводность.

Поэтому аэрогели используют для изготовления теплоизоляционных материалов, в различных медицинских целях и даже в космосе — из них делают ловушки для космической пыли, способные захватывать самые мелкие частицы. Аэрогели получают в несколько этапов: сначала из базовых химических компонентов делают растворы-прекурсоры, потом из них получают обычные гели, а после этого гели сушат, во время чего жидкость, заполняющая поры, замещается газом.

Аэрогель на основе диоксида кремния / ©Изображение предоставлено авторами исследования

Обычная сушка при атмосферном давлении и повышенных температурах, для этих целей не подходит: она разрушает структуру исходного геля и в результате аэрогель из него не получить. Вместо этого проводят сверхкритическую сушку, в которой используют сверхкритические жидкости — так называют состояние вещества при давлении и температуре выше критических, когда исчезает разница между газовой и жидкой фазой (например, обычная вода становится сверхкритической жидкостью при температуре и давлении больше 647 K и 218 бар, соответственно).

Больше всего распространена сверхкритическая сушка в среде CO2 (критические параметры: 303,9 К, 73 бара). Во время такой сушки сверхкритическая жидкость постепенно вытесняет из пор растворитель, а после этого в реакторе понижается давление, и сверхкритическая жидкость переходит в газовую фазу — так из геля в конце концов получается аэрогель с неповрежденной системой пор.

Однако, сверхкритическая сушка стоит очень дорого, что ограничивает возможности применения аэрогелей и материалов на их основе. Поэтому ученые ищут способы оптимизировать этот процесс. «Многие научные группы занимаются интенсификацией процесса сверхкритической сушки, – рассказывает один из авторов работы, сотрудник РХТУ, Павел Цыганков. – Мы в своей работе сконцентрировались на влиянии параметров процесса — температуры, расхода сверхкритического сушильного агента и режима его подачи, на ключевые характеристики процесса сушки — ее продолжительности и суммарном расходе сушильного агента».

Исследователи изучали процесс сверхкритической сушки на примере классического аэрогеля на основе диоксида кремния. В качестве исходного растворителя использовался изопропанол, в качестве осушителя — сверхкритический углекислый газ. Все эксперименты проводились в аппарате высокого давления. Ученые варьировали основные параметры процесса, пытаясь, с одной стороны, ускорить его и уменьшить расход сушильного агента, а с другой, не ухудшить качество продукта, оцениваемое по остаточному содержанию растворителя внутри аэрогеля.

В результате ученые установили, что за счет изменения параметров сверхкритической сушки расход углекислого газа можно уменьшить на 63,4 процента, а суммарное время процесса — примерно на 50 процентов. При этом качество получаемого продукта остается практически неизменным и полученные кремнеземные аэрогели имеют развитую удельную поверхность (около 850 м/г) и высокую пористость (около 95 процентов). Таким образом, российские химики нашли способ оптимизации процесса сверхкритической сушки, который составляет существенную часть затрат на производстве аэрогелей. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
РХТУ им. Д.И. Менделеева
8 статей
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева — высшее учебное заведение в Москве, крупнейший учебный и научно-исследовательский центр в области химической технологии.
6 часов назад
6 минут
РНФ

Российские исследователи изучили регенеративные свойства эндометрия — слизистой оболочки, которая покрывает внутреннюю часть матки. Они нашли компонент, который не дает образовываться рубцовой ткани и сохраняет функциональность органов. В будущем это поможет в предотвращении рубцов и восстановлении функций и эластичности тканей.

Вчера, 21:06
5 минут
Мария Кривоченко

Им удалось найти среду, где вырабатываются новые костные и иммунные клетки. Оказалось, для поддержания этой среды необходимо постоянное движение, например регулярные тренировки.

Вчера, 20:10
8 минут
Мария Азарова

Американский ученый взялся понять, на чем основан стереотип об атеистах как аморальных людях, и узнать, чем их моральные ценности отличаются от таковых у верующих.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

23 февраля
4 минуты
Виктория Сафронова

Звук — шум от передвижения марсохода — записан одним из его микрофонов.

22 февраля
5 минут
Илья Ведмеденко

Новое видео демонстрирует использование новейшего российского разведывательно-ударного БПЛА «Орион» на территории Сирии. Ранее этот комплекс приняли на вооружение.

27 января
6 минут
Василий Парфенов

Интересным наблюдением поделились сотрудники Чернобыльского радиационно-экологического биосферного заповедника. Они уже более трех лет следят за жизнью стада одичавших коров, поведение которого сильно отличается от того, что можно наблюдать у домашних сельскохозяйственных животных.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: