Самый легкий в мире материал станет доступнее — Naked Science
11 февраля
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.
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева — высшее учебное заведение в Москве, крупнейший учебный и научно-исследовательский центр в области химической технологии.
Вчера, 20:38
Илья Ведмеденко

Российские судостроители спустили на воду головное скоростное пассажирское судно на подводных крыльях «Метеор 120Р». Предполагается, что оно ни в чем не уступает зарубежным аналогам.

4 часа назад
Мария Азарова

Канадские ученые выяснили, что у больных с коронавирусом значительно повышен уровень белка галектина-9 в плазме крови. Они также обнаружили корреляцию между концентрациями Gal-9 и провоспалительными цитокинами, высвобождение которых приводит к цитокиновому шторму.

Позавчера, 14:34
Илья Ведмеденко

Осведомленный источник ТАСС сообщил, что опытный образец перспективного стратегического бомбардировщика нового поколения соберут к 2023 году. Ранее стало известно, что в России изготовили первый образец двигателя для нового самолета.

1 августа
Мария Азарова

Исследование микробиома кишечника, проведенное японскими и американскими учеными, предоставляет один из потенциальных ключей к долголетию и лечению бактериальных инфекций.

Позавчера, 14:34
Илья Ведмеденко

Осведомленный источник ТАСС сообщил, что опытный образец перспективного стратегического бомбардировщика нового поколения соберут к 2023 году. Ранее стало известно, что в России изготовили первый образец двигателя для нового самолета.

1 августа
Александр Березин

СМИ всего мира принялись рассказывать, что новые штаммы возникли из-за ослабления ограничений, снятия масок, а то и под воздействием вакцин. Якобы те оказали эволюционное давление, заставляющее вирус обходить вакцинную защиту. Увы, реальная биология указывает на совсем иную — и более устрашающую — картину. Разбираемся в деталях.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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: