Годината е 1931. Преподавател по химия, на име Самюел Стивънс Кистлър, сключва облог със своя колега и приятел Чарлз Лърнд, че може да замести течността в желе с газ, без това да предизвика свиване на желето. Самюел Кистлър спечелва облога и публикува статия в списание Нейчър с описание на откритието.
Някои неща, които не трябваше да се забравят,
бяха изгубени.
Историята премина в легенда,
легендата се превърна в мит…
Химикът му дава името аерогел. Дали историята с облога е истина или легенда вероятно ще остане неизвестно. Това което е останало от миналото (освен името), обаче, е един материал, който сравнен със стъклото, има около 1000 пъти по-малка плътност, съпоставима светлинна пропускливост (90%-99%), около 75 пъти по-малка топлинна проводимост и около 4 пъти по-малка диелектрична константа. Звучи впечатляващо, нали?
Уникални свойства
Аерогелът е уникален материал. Структурата му е изградена от верига сферични молекули, всяка от които е с размер 3-4 нм. Веригите ограждат празни пространства, пори, които са с размер 30-40 нм. Въпреки фактът, че са порьозни, аерогеловете притежават значителна механична якост, която се дължи на здравината на молекулните вериги.
Тъкмо комбинацията от висока порьозност и малък размер на порите придава на аерогеловете чудновати свойства. Ниската плътност е само едно от тях. Поради това, че материалът провежда топлина само по съвсем тесни вериги, проводимостта на аерогеловете може да бъде толкова, колкото и тази на въздуха. Това обяснява защо през последните години силиконовите аерогелове се използват доста успешно за топлинна изолация.
Светло бъдеще за компютърната индустрия
Поради малката си диелектрична константа силиконовите аерогелове са много добри изолатори. Според учените от Политехническия институт Ренслир използването на аерогеловете като изолатори в производството на чипове може да доведе до удвояване на компютърните скорости. Голямото предимство на силиконовите аерогелове в случая е, че провеждат толкова ток, колкото и въздуха, но за разлика от него те са твърди вещества и като такива имат механични свойства – якост, плътност, поемат статичти натоварвания и др.
Тъмни аерогелове
Освен първоначално изобретените силиконови аерогелове, днес на пазара съществуват и карбонови. Макар и с по-скромна история, те също притежават множество уникални качества. Едно от тях е изключителната им чернота, която е причинена от разпръскването и поглъщането на светлината в графитените молекули, изграждащи структурата им. Това ги прави идеални за някои видове соларни колектори.
Още по-впечатляващо и изненадващо е, че за разлика от силиконовите си събратя, карбоновите аерогело имат голяма електрическа проводимост. Тя позволява използването им за суперкондензатори, като по този начин е възможно постигането на 2000 до 5000 пъти намаляване на размерите на кондензатора. Както знаем, капацитетът на кондензатора се увеличава, когато разстоянието между електродите намалява, а повърхностите им нарастват. Тъй като повърхността на аерогеловете е огромна ,това дава възможност да се постигнат впечатляващи стойности за капацитета.
От пастата за зъби до звездния прах
След откритието през 1931ва, кариерата на Кистлър продължава в Монсанто, които в последствие започват продажба на продукт наречен аерогел. Материалът е използван основно като добавка в различни козметични продукти включително и в пасти за зъби. През 1960 на пазара излиза по-евтин силиконов аналог със същото предназначение. В резултат на това, производството на аерогел е спряно и идеята за него потъва в забвение.
Няколко години по-късно
Десет години по-късно Френското правителство, възлага на Станислаус Тайхнер да разработи метод за съхраняване на кислород и ракетно гориво в порести материали. Според легендите, Тайхнер делегирал проверката на аерогелите като потенциални „резервоари“ на свой студент, който изпаднал в отчаяние, когато разбрал какво голямо количество от материала трябва да произведе, за да завърши дисертацията си. До този момент производството на аерогеловете по метода на Кистлър отнемал седмици. След като първоначалния шок преминал, студентът се почуствал мотивиран да разработи нов метод за производството на аерогелове. В резултат на работата на Тайхнер и неговата изследователска група, светът получава нов оптимизиран процес за производството на скъпоценния материал. Методът се основава на процеса на производство на т.нар. сол-гелове – колоидни субстанции, които могат да бъдат превърнати в твърди вещества. Новият подход предложен от Тайхнер (или неговия студент) довел до бум в разработките на аерогелове. В началото на 80те години например, учените стигат до прозрението, че новият материал може успешно да се използва като среда за изучаване на радиацията на Черенков –електро-магнитно лъчение, с характерен син цвят, което се отделя пре преминаване на заредени частици през изолатор, със скорост по-висока от скоростта на светлината в съответния материал. След това откритие, с детектори на базата на аерогел, са оборудвани Германския Електронен Синхротрон в Хамбург, а така също и CERN. В края на 80те години изследователите от Националната Лаборатория Лорънс Ливърмор в Калифорния пък, успяват да постигнат най-ниската до сега плътност на аерогела – 0,003 гр/см3, само 3 пъти по-голяма плътност от тази на въздуха.
Стардъст
Може би едно от най-атрактивните приложения на аерогеловете от последните години е в мисията Стардъст. Започналата през 1999 година и завършила успешно през 2006 мисия на НАСА е имала за цел да изследва кометата Уайлд 2. За целта учените са разработили уред за събиране на частици от прелитащата комета с формата на тенис ракета. Вътрешността на рамката на „тенис ракетата“ е изградена от алуминиеви клетки пълни със силиконов аерогел, чието предназначение е да улавят космическите частици без да ги повреждат. След завръщането на Капсулата през 2006, материалът е изпратен за изследване в Космическият център Джонсън.
Макар и с твърде много възможни приложения, главният недостатък на аерогела за сега си остава високата му производствена цена. Парченце аерогел, дълго около 1 сантиметър струва около 900 долара. Тази цена обаче, може значително да падне, в случай че новите производствени процеси се комерсиализират. Това бързо ще превърне аерогела от екзотичен материал в необходимост за всеки дом.