Як стати водонепроникним за допомогою аерогелю

- Все буде добре.
То ви кажете, що з моєю шкірою все буде гаразд?
- Обіцяю.
Чудово.
Я хочу поговорити про властивості аерогелю, найлегшої твердої речовини у світі.
Я нахилюся так, щоб мікрофон вловлював цей звук. Киньте ще раз.
Ось який звук утворюється при його падінні. Дуже дивно.
Це металічне дзвеніння вперше описав винахідник аерогелю Семюел Кістлер у 1931 році.
Аерогель - це прекрасний теплоізолятор, але він - не найпростіший матеріал для роботи.
Можна, я спробую?
- Так
Не дуже вдається. Чому мені не вдається відтворити металічне дзвеніння.
О, ні.
- Так, зламати його досить легко.
Він крихкий і легко ламається. То чи можливо використати його неймовірну теплопровідність в більш зручний спосіб?
- Ось тут ми маємо суміш частинок аерогелю з діоксиду кремнію та негорючої в'яжучої речовини.
- Вам потрібно буде нанести його собі на шкіру.
Гаразд.
- Я допоможу.
Добре.
- Берете його і просто огортаєте навколо пальця.
Один палець чи два?
- Не має значення.
Так буде добре?
Потрібно переконатися, що вогонь піде навколо пальця, і не обпече шкіру.
На цьому пальці надто тонкий шар аерогелю. Його достатньо?
- Спробуймо і побачимо.
Ви змушуєте мене нервувати. А ще цей пальник чи паяльна лампа.
Можна, я сам спробую?
- Звісно, можна.
Оскільки, якщо щось піде не так, я зможу швидше зреагувати.
Яка температура полум'я паяльної лампи?
- Важко сказати. Але зазвичай це щонайменше 1500°C (півтори тисячі градусів за Цельсієм), але може бути й 2000 (дві тисячі).
Тож, це дуже гаряче. Гаразд, спробуймо.
Дивне відчуття.
- Висока температура.
Все так, ніби я підсмажую маршмелоу.
Звідки береться полум'я? Що це горить?
- Це в'яжуча речовина. Принаймні, ми так вважаємо.
Я взагалі не відчуваю тепла. Мій палець зовсім не нагрівся.
Це неймовірно!
- Речовина захищена патентом.
Не можу повірити, наскільки мало тепла я відчуваю.
Наша інфрачервона камера має кілька діапазонів.
Тут аерогель суттєво гарячіший за верхню межу у 160°C (градусів за Цельсієм).
Гель світиться помаранчевим кольором, тож він справді дуже гарячий.
Це фактично видиме випромінювання абсолютно чорного тіла.
Ми обрали найвищий температурний діапазон до 2000 (двох тисяч градусів).
- 881 (вісімсот вісімдесят один), 907 (дев'ятсот сім), 907.
907 градусів за Цельсієм. Це неймовірно.
Просто перед моїм пальцем.
Тут була температура майже тисяча градусів за Цельсієм.
Але за цим тонким шаром аерогелю мої пальці просто... просто трохи теплі.
- 31 градус.
Дивовижно.
Ця речовина - безсумнівно хороший теплоізолятор.
Це відео - про те, як знайти застосування надзвичайним властивостям аерогелю.
Наприклад, я збираюся зайти в басейн і при цьому не намокнути.
Там, на поверхні моєї шкіри є шар повітря. Цей тонкий повітряний шар робить мою шкіру на вигляд сріблястою.
Світло, що падає під певним кутом, відбивається від межі між повітрям і водою.
Це називається повним внутрішнім відбиванням. Дуже незвично.
Це справді крутий ефект. До того ж я став водонепроникним,
Я відчуваю, як це додаткове повітря робить мене легшим у воді.
Зараз я спробую вийти з води. Подивимося, чи буду я сухим.
Я справді сухий.
Я взагалі не відчуваю себе вологим.
Це було дійсно дивне відчуття.
Як мені вдалося стати водонепроникним?
Я зробив це за допомогою частинок аерогелю. Я узяв трохи цього пилу і покрив ним своє тіло.
Але цей спосіб стати водонепроникним дивує ще більше, оскільки звичайний аерогель діоксиду кремнію є гідрофільним.
Ось так. Це гідрофільний аерогель.
Усі групи OH (о-аш) всередині аерогелю поглинають рідину, і це викликає руйнування його структури.
Аерогель добре поглинає воду з двох причин.
По-перше, він має величезну площу поверхні завдяки своїй нанорозмірній губкоподібній структурі.
Зразок аерогелю розміром з кубик льоду має площу поверхні, яка дорівнює половині площі футбольного поля.
Це робить його хорошим поглиначем багатьох молекул, або адсорбентом.
- Моє улюблене застосування, яке я вважаю чудовою ідеєю, - це фізичний інсектицид.
- Більшість інсектицидів є нейротоксинами або інгібіторами холінестерази.
- Це щось на кшталт нервово-паралітичного газу, який ми розпилюємо на рослини.
- Але фізичний інсектицид працює по-іншому:
опинившись на поверхні комахи, він вбирає.., він ніби висмоктує з неї всю воду або інші рідини, аж доки комаха не помирає.
Це наче посипати сіллю слимака.
- Так, це хороша аналогія.
Друга причина, через яку він добре поглинає саме воду, - в тому, що його поверхня покрита групами OH (о-аш), які притягують молекули води, і це робить його ідеальним для застосування в музеях.
- Раніше я працював в Італії з компанією, яка виготовляла обладнання для музеїв.
- Вони зробили вітрину для "Мони Лізи", і зацікавилися аерогелем, тому що він є пасивним регулятором вологості.
- Якщо вологість у вітрині зростає, аерогель поглинає воду; якщо ж вологість зменшується - випускає.
Здатність аерогелів до адсорбції використовується для виявлення марсотрусів.
- Ці зразки були виготовлені для місії НАСА "Insight".
Цей аерогель нагадує крейду, тому що містить частинки мінералу цеоліту.
Вони можуть поглинати вологу навіть при дуже низькому тиску.
- Сейсмометр містить три малих сейсмометри. Через це всередині потрібно створити глибокий вакуум, інакше вони видаватимуть хибні спрацювання.
- Ми розробили цей аерогель, щоб він поглинав вологу і гази, які з'являються всередині на кабелях та інших деталях.
То це своєрідне підтримування вакууму?
- Так, це практично вакуумна помпа, якщо думати таким чином.
- І він не вимагає жодного джерела енергії, а ще він дуже легкий.
- По суті, аерогель зробив місію "Insight" можливою.
Аерогель може поглинути воду, маса якої у 25 разів більша, ніж його власна.
Але для деяких застосувань - це не те, що потрібно.
Після того, що ми зробили, цей шматок аерогелю тепер знищений?
- Так. Ці пошкодження структури незворотні, як зростання ентропії.
- Щоб протидіяти цій проблемі, ми беремо гідрофобну речовину, яка при контакті з OH-групою ніби міняється з нею місцями, утворюючи велику неполярну групу, яка "відштовхує" воду.
- Замінивши лише 30% OH-груп, які покривають поверхню аерогелю, на ці гідрофобні групи, ви можете зробити аерогель, який чудово відштовхує воду.
- Вода не змочує його поверхню, цей аерогель абсолютно непроникний для води.
- Він може місяцями перебувати у воді, і залишитися таким, ніби увесь час був сухим.
- Готовий?
Так.
- Наливаємо воду. Потекла.
Відчуття таке, ніби вода не торкається мене. Дуже дивне відчуття.
- Так і є, вона не торкається тебе. Це відштовхування відбувається на молекулярному рівні.
Неймовірно. Це схоже на ламінарний потік. Не можу словами передати відчуттів.
Аерогель можна зробити непроникним для води або, навпаки, здатним її вбирати.
Він крихкий, але його можна переробити в клейку пасту.
Досі я фокусувався на аерогелі з діоксиду кремнію, але аерогелі можна зробити з багатьох речовин.
Тож усі ці матеріали мають наноструктуру?
- Правильно.
Вони мають крихітні пори розміром близько 20 (двадцяти) нанометрів.
- Так.
І вони більше, ніж на 50% - повітря.
- Так.
І через це настільки легкі.
- Правильно.
Деякі з них виготовлені з полімерів. Потрібен компроміс між термічними та механічними властивостями.
- Теплопровідність звичайного кремнеземного аерогелю становить 15 мВт/м·К (міліват на метр-кельвін).
- Це означає, що він у 2-3 рази кращий теплоізолятор, ніж пінополістирол.
- А ці [показує] матеріали у півтора-два рази кращі, ніж пінополістирол: 20 (двадцять) - 26 (двадцять шість) мВт/м·К (міліват на метр-кельвін).
- Це поліамідний аерогель. Розробка НАСА.
- Він є чудовим теплоізолятором, і він не горить.
- За звучанням він нагадує дерево.
- А ось "марсіанська" стрічка.
Розширити сферу застосування аерогелю можна шляхом його додавання до композитних матеріалів.
- Це щось середнє між кремнієм та його діоксидом.
Приємні відчуття. Дуже приємні. Він чимось нагадує хутро тварини або м'яку іграшку.
- Так і є.
- Це новий тип аерогелевого покриття, який, можливо, буде використовуватися в скафандрах чи навіть в одязі.
- Це фіберглас - матеріал зі скловолокон.
Відчувається саме так.
- До цього фібергласу доданий аерогелю. Тож це композитний матеріал.
- Оскільки аерогелі дуже крихкі, такі композити дозволяють зробити щось, що можна згинати, різати, зшивати й згортати.
- Не дуже приємно, коли він обсипається, якщо постукати.
Але що це за пил?
- Це аерогель, аморфний діоксид кремнію, і він абсолютно безпечний, на відміну від кварцевих волокон або азбесту, чиї довгі волокна наш організм не здатний хімічно або фізично розщепити.
- Ця речовина легко захоплюється і легко виводиться організмом. Вона безпечна.
- Її використовують для ізоляції підводних нафтопроводів, на нафтопереробних заводах тощо.
І такої товщини достатньо для ізоляції?
- Так. Цієї товщини вистачає. Тут один сантиметр.
- І цей один сантиметр дозволяє отримати таку ж теплоізоляцію, яку можуть дати три сантиметри мінеральної вати або скловолокна.
- Тож це надзвичайно хороший теплоізоляційний матеріал.
Я збираюся випробувати це покриття в наступному відео. Підписуйтеся, якщо вам цікаво.