Аерогель часто називають одним із найлегших твердих матеріалів у світі. І недарма. У тому шматку, який тримає в руках автор каналу NileRed, менше одного відсотка кремнезему. Решта — понад 99 % — просто повітря. Коли береш його в руку, майже не відчуваєш ваги. Саме тому цей матеріал так добре працює як теплоізолятор: повітря всередині замкнене в крихітній кремнеземній сітці і майже не може рухатися.
Після кількох роликів Veritasium NileRed вирішив, що має зробити аерогель сам. На папері процес виглядав просто: замішати спиртовий гель і акуратно його висушити. На практиці все виявилося набагато складніше.
Небезпечний старт і крихкий гельОсновний реагент — тетраметилортосилікат, або TMOS. Це рідке джерело кремнезему, яке при контакті з водою знову перетворюється на силіцій. Проблема в тому, що така сама реакція може відбутися в легенях чи очах. Частинки утворюються під поверхнею рогівки і їх неможливо прибрати. Тому вся робота йшла лише під витяжкою.
Рецепт взяли з aerogel.org. Змішали метанол, розведену аміачну воду і TMOS. Через кілька хвилин суміш починає густіти.
У тебе є менше десяти хвилин, щоб влити її у форму. Звичайні силіконові чи тверді молди не підходять — гель або прилипає, або ламається від найменшого зусилля.
Довелося імпровізувати. Пластиковий формочку для печива поклали на скло, обмазали воском зі звичайної свічки і закріпили скотчем. Коли гель схопився, форму просто відламали від воскової основи. Квадратні й шестикутні шматочки легко вислизнули і відразу потрапили в свіжий метанол.
Далі — довга і нудна частина. Гелі тиждень вимочували в метанолі, змінюючи рідину кожні день-два. Мета — повністю замінити воду на спирт. На невелику партію пішло близько десяти літрів метанолу. Без цього кроку аерогель просто не вийде.
Чому звичайне сушіння не працюєЯкщо просто дати метанолу випаруватися, гель тріскається і стискається за лічені години. Причина — капілярні сили. Рідина в найтонших порах тягне стінки всередину, і структура руйнується. Залишається щось схоже на пористе скло з легким блакитним відтінком, але це вже не аерогель.
Єдиний надійний спосіб — надкритичне сушіння вуглекислим газом. Спочатку метанол у порах замінюють рідким CO₂,
потім підігрівають його вище критичної точки (близько 31 °C). У надкритичному стані речовина поводиться і як рідина, і як газ, але без поверхневого натягу. Капілярних сил немає — і структура не руйнується.
Саморобна камера високого тискуNileRed зібрав камеру зі спеціальної нержавіючої сталі, розрахованої на високий тиск. Деталі замовляв у McMaster-Carr, віконця для спостереження коштували по 400 доларів кожне. Перші тести показали купу витоків. Довелося міняти стрічку ФУМ на товстішу і підтягувати з’єднання, поки камера не почала тримати тиск хоча б добу.
Завантаження крихкого гелю теж виявилося проблемою. Автор зробив своєрідну «лопатку» з металу, схожу на ті, якими саджають піцу в піч. Не ідеально, але працює.
Перший запуск зробили з тепловою гарматою. Процес зайняв кілька днів: повільна заміна метанолу на CO₂, поступове нагрівання, дуже повільна декомпресія. Результат — аерогель був, але з кількома серйозними тріщинами. Нагрівання з одного боку і постійний контроль вручну явно не найкращий варіант.
Другий раз використали су-від. Камеру частково занурили у воду з точним контролем температури.
Нагрівання йшло рівномірніше, а сам процес став значно спокійнішим. Коли віконце відкрутили, всередині лежав майже ідеальний шестикутник. Без великих тріщин, з легким жовтуватим відтінком (ймовірно, через рецепт або вік гелю). Бульбашки, які потрапили під час формування, залишилися видимими, але загалом це був успіх.
Від першої ідеї до готового зразка минуло майже дев’ять місяців. Два повноцінні запуски, купа невдалих спроб із формами, літри метанолу і камера, яку довелося збирати з нуля. Але коли тримаєш у руках шматок матеріалу, який майже невагомий і при цьому реально працює як ізолятор — розумієш, навіщо все це було.
NileRed визнає: процес виснажливий. Навіть із су-відом сушити один зразок — це кілька днів майже безперервної уваги. У майбутньому він хоче модифікувати камеру, щоб завантажувати одразу кілька гелів. А поки що каже, що від аерогелю трохи втомився і найближчим часом займеться чимось простішим.
Проєкт ще раз показує, наскільки тонкими можуть бути межі між «можна зробити вдома» і «потрібна справжня лабораторія». Але коли все виходить — це справді вражає.
Запис Хімік зробив аерогель у домашній лабораторії: що вийшло після місяців спроб спершу з'явиться на ProstoMob.
