Аерогель: надзвичайна чарівність чарівного матеріалу
При 650 градусах полум'яний розпилювач продовжує розпилювати полум'я, але він не може запалити картонну оболонку зі спеціальним покриттям; Лише відокремлена шаром плівки рука, притиснута до гарячого столу, досить гаряча, щоб «спечитись», але відчуває лише невелике тепло; Він утворює невидиму «захисну плівку» на руці, яка дозволяє воді «вискочити» миттєво... Все це схоже на феномен «наукової магії», все з нового матеріалу, який тримає більше десятка Книг рекордів Гіннеса - аерогель.
Щоб дати вам більш інтуїтивне уявлення про чудеса аерогелю, давайте проведемо кілька порівняльних експериментів. По-перше, матеріал аерогелю однакової товщини та традиційний ізоляційний матеріал (такий як мінеральна вата, силікат тощо) поміщають у дві однакові високотемпературні камери навколишнього середовища, температура яких встановлюється на рівні 650 градусів. Зміни температури на зовнішній стороні двох матеріалів відстежувалися в реальному часі за допомогою тепловізора протягом того самого 1-годинного періоду. Ви побачите, що зовнішня температура традиційного матеріалу швидко підвищується, і незабаром з’являється деформація, дим тощо, тоді як зовнішня температура матеріалу аерогелю майже не змінюється, і вона завжди залишається низькою. Це повною мірою свідчить про те, що аерогель значно перевищує теплоізоляційні властивості традиційних матеріалів.
Подивіться на контраст між аерогелем і звичайними твердими речовинами (такими як метал, дерево тощо). Якщо ви виберете шматок металу такого ж об’єму, як ізоляційний шар аерогелю, і зважите його окремо, ви побачите, що вага аерогелю набагато легша, ніж вага металевого блоку, що підкреслює надзвичайно легкі характеристики аерогелю. Потім їх одночасно поміщають на нагрівальну плиту, встановлену на 200 градусів. Під час процесу нагрівання використовуйте термометр, щоб виміряти швидкість підвищення температури на поверхні двох речовин, і результати вас здивують. Температура металевої поверхні зростає швидко, тоді як температура поверхні аерогелю підвищується дуже повільно, що свідчить про чудову теплоізоляційну здатність аерогелю, на відміну від цього, так що ви можете глибше відчути магію аерогелю.
Тримаючи полум'яний розпилювач при температурі до 650 градусів, наведіть на звичайну картонну оболонку, і в одну мить паперова оболонка згорить, полум'я швидко пошириться, а картонна оболонка перетвориться на попіл лише за приблизно 20 секунд.
Однак, коли картонну оболонку покрили тонким шаром прозорої «чарівної фарби» (тобто продукти, пов’язані з аерогелями) і знову спалили полум’яною гарматою на 650 градусів, ситуація була зовсім іншою. Цього разу картонну оболонку не тільки не підпалили, але й майже не було видно слідів горіння полум’я, на її поверхні залишився лише шар білого зернистого порошку. Якщо доторкнутися до зворотного боку паперу, ви зовсім не відчуєте тепла. За словами персоналу, у високій температурі середовища 650 градусів він може витримувати горіння більше 3 годин без пошкодження.
У цьому експерименті тепло полум’я намагалося вторгнутися в картонну оболонку, але покриття з аерогелю діяло як незнищенний бар’єр, безжально затримуючи тепло. Картонну оболонку можна безпечно оточити полум'ям, немов за помахом чарівної палички, що є яскравою демонстрацією дивовижних теплоізоляційних властивостей аерогелю.
Друга «магія» пов’язана з водою. В одному резервуарі над водою міцно підвішений шар неплавкого «чарівного порошку» (частинки аерогелю). Репортер потягся крізь порошок до дна й миттєво відчув, що вся рука просякнута водою. Але коли він висмикнув руку, то з подивом виявив, що в ній немає ні краплі води. Згодом цю руку багато разів клали в інші басейни або навіть прямо промивали водою, і вся рука завжди була загорнута в невидиму «захисну плівку», яка могла «вискочити» всю воду.
Така водовідштовхувальна властивість аерогелю пояснюється його особливими властивостями поверхні. Його мікроструктура ускладнює прилипання молекул води до нього, і замість цього утворюються краплі, які падають, як самоочищення на поверхні листя лотоса.
Чи можете ви повірити, що людська рука може торкнутися об’єкта під кутом вище 100 градусів, не обпікшись?
Третя «магія» зосереджена на «теплі». На гарячому столі, який може змусити холодну воду закипіти і миттєво випаруватися, розстелити шар «чарівної плівки» (аерогелевого ізоляційного паперу), репортер нервово натиснув на неї рукою і, на диво, відчув лише легке тепло.
Технологія: Дослідження та розробка провідних світових методів підготовки
За цими дивовижними «чарівними фарбами», «чарівним порошком» та іншою «магією» фактично стоять своєрідні Книги рекордів Гіннесса, яких понад 10, а журнал Science оцінює як «чарівний матеріал, який може змінити світ» - аерогель.
Інженер із підтримки індустрії нових матеріалів компанії Coon сказав журналістам, що аерогель є найлегшим твердим матеріалом, відомим у світі на даний момент, а також найпрекраснішим твердим матеріалом у світі з теплоізоляційними та протипожежними характеристиками.
Що робить аерогель таким дивовижним? Інженер пояснив аналогією з «солодкою ватою».
Інженери відзначили, що зв’язок між аерогелем і піском (переважно кремнеземом) був схожий на зв’язок між зефіром і білим цукром. Його теплоізоляційні та вогнезахисні властивості такі чудові через наявність численних нанорозмірних дірок у його молекулярній структурі з пористістю понад 95%. Ці нанорозмірні отвори схожі на «теплоізоляційний лабіринт» у мікроскопічному світі, де тепло постійно відбивається та розсіюється під час руху, що ускладнює плавне проведення, тому теплопровідність аерогелю надзвичайно низька, і він може досягти ефект теплоізоляції, подібний до ефекту вакууму. «Дірки в зефірі видно неозброєним оком, тоді як отвори в аерогелі є нанорозмірними, в 1,000 разів меншими за діаметр людської волосини».
Незважаючи на чудові властивості, аерогелі важко отримати.
Традиційне приготування аерогелю вимагає методу «надкритичного сушіння», який необхідно готувати протягом кількох днів під високою температурою та тиском. Це призводить до багатьох проблем, таких як висока вхідна вартість обладнання, складний технологічний процес, серйозні викиди забруднення тощо, через що його виробнича вартість залишається високою. Тому аерогелеві продукти в основному використовуються в ключових сферах, таких як аерокосмічна промисловість.
З огляду на цю ситуацію, інноваційна команда під керівництвом Се І, академіка Китайської академії наук і професора Університету науки і технологій Китаю, після десятиліть невпинних зусиль самостійно розробила провідний у світі метод приготування аерогелю - " захист навколишнього середовища метод сушіння аерогелем під атмосферним тиском». Цей метод може значно знизити витрати на підготовку аерогелю, сприяти плавній індустріалізації аерогелевих продуктів і змусити їх справді увійти в наше повсякденне життя.
Застосування: Побудова «пожежної шуби»
У галузі будівництва застосування аерогелю досягло значних результатів. Наприклад, у великій комерційній будівлі річне споживання енергії для охолодження та опалення досить велике, коли не використовується аерогелева ізоляція, а витрати на електроенергію становлять значну частку експлуатаційних витрат. Після модифікації аерогелевих ізоляційних матеріалів за допомогою ретельного моніторингу споживання енергії та статистичних даних виявлено, що річне споживання енергії на охолодження та опалення значно зменшується, а також відповідні витрати електроенергії також значно зменшуються.
Рівень енергоспоживання значно нижчий, ніж у аналогічних комерційних будівель поблизу, де не використовується аерогелева ізоляція, а економія енергії очевидна.
Головним чином це пов’язано з відмінними характеристиками аерогелевих будівельних ізоляційних покриттів. Потрібне лише тонке покриття товщиною від 2 до 5 мм, щоб досягти ефекту постійної температури від 40 до 60 мм звичайного ізоляційного матеріалу, тим самим зменшуючи енергоспоживання приміщення більш ніж на 30%. Ця високоефективна ізоляційна здатність не тільки економить значні експлуатаційні витрати для власників будівель, але також робить позитивний внесок у зниження загального споживання енергії в будівельному секторі в контексті пропаганди всього суспільства енергозбереження та скорочення викидів.
Zhejiang Runfew New Material Co., Ltd відіграла незамінну роль у цьому процесі. Його ретельно розроблена серія продуктів аерогелю продовжує вливати нову життєву силу в сферу енергозбереження будівель, допомагає більшій кількості будівель досягти високоефективної ізоляції та енергозбереження та скорочення споживання, а також робить аерогель, цей чарівний матеріал, більш цінним у сфері будівництва.