Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

«Попытки удалить жидкость путем выпаривания приводили к столь сильной усадке, что влияние на структуру оказывалось слишком глубоким».

Иными словами, когда воду пытались выпарить из желе, то замечали, что внутренний каркас просто разваливается. Но, торжественно объявляет Кистлер далее, он и его сотрудники нашли верный способ:

«Мистер Чарльз Ленд и я при любезно оказанной нам профессором Дж. У. Макбейном помощи предприняли попытку проверить гипотезу о том, что жидкость в желе можно заместить газом с незначительным или полным отсутствием усадки. Наши усилия увенчались полным успехом».

Хитрость состояла в том, чтобы заменить жидкость газом, пока она еще остается внутри желе, и таким образом использовать давление газа для поддержания каркаса. Впрочем, поначалу они применяли не газ, а жидкий растворитель (спирт), который легче было контролировать. Существовал риск испарения растворителя, однако ученые нашли способ его избежать:

«Простое выпаривание неизбежно приведет к усадке. Тем не менее, если желе поместить в закрытый автоклав с избыточным количеством жидкости и поднять температуру выше критической, а давление поддерживать на уровне предельного давления парообразования либо выше, то кипения жидкости не происходит, а следовательно, не происходит и сжатия геля из-за действия капиллярных сил на его поверхности».

Автоклав – это просто резервуар высокого давления, который подлежит нагреву. Из-за повышения давления в автоклаве жидкость внутри желе не закипает даже при температуре выше точки кипения. Капиллярные силы, о которых говорит Кистлер, обусловлены поверхностным натяжением жидкости. Кистлер предполагает, что по мере постепенного превращения жидкости в пар те же силы, которые удерживают вместе компоненты желе, начинают его разрывать. Но когда температура становится выше так называемой критической температуры, то граница между газом и жидкостью исчезает – и то и другое приходит в состояние с одинаковой плотностью и строением, то есть жидкость превращается в газ, минуя разрушительную стадию кипения. Кистлер пишет:

«Когда температура станет выше критической, жидкость напрямую, без закипания, превратится в газ. Желе так и «не узна́ет», что жидкость внутри его сеток стала газом».

Это же гениально: под давлением в автоклаве вновь образованный газ не может покинуть желе, и внутренний каркас остается невредимым:

«Остается лишь выпустить газ, и мы получим сплошной аэрогель с неизмененным объемом».

Только теперь Кистлер позволяет газу медленно исчезнуть, не причинив вреда каркасу и не нарушив объем желе. Таким образом, он доказал свою гипотезу.

Внутренний каркас желе

Должно быть, это был миг глубочайшего удовлетворения. Но Кистлер на этом не остановился. Полученные каркасы были невероятно легкими и хрупкими и состояли почти сплошь из воздуха. Фактически они были пеной. Кистлер придумал желе с внутренним каркасом из диоксида кремния – главного компонента стекла. С помощью вышеописанного процесса он получил кварцевый аэрогель, самый легкий твердый материал в мире. Именно этот материал я мельком увидел в научной лаборатории в пустыне много лет назад.

Кварцевый аэрогель, самый легкий твердый материал в мире, на 99,8 % состоящий из воздуха

Не довольствуясь этим достижением, Кистлер создал еще ряд аэрогелей, которые перечислил в своей статье:

«Пока что нам удалось получить аэрогели на основе кварца, алюминия, тартрата никеля, оксида олова, оксида вольфрама, желатина, агара, нитроцеллюлозы, целлюлозы и яичного белка, и мы не видим причины, по которой этот список нельзя продолжать бесконечно».