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

Заметьте, несмотря на успех с аэрогелем из кварца, Кистлер не устоял перед соблазном использовать яичный белок. Пока весь мир взбивал омлеты и бисквитное тесто, он занялся кулинарией иного рода: готовил в автоклаве яичный аэрогель – легчайшую меренгу в мире.

Кварцевый аэрогель выглядит чрезвычайно странно. На темном фоне (см. фото) он кажется голубоватым, но на светлом фоне его почти не видно. Он даже более невидим, чем обычное стекло, хотя стекло прозрачнее. Проходя сквозь стекло, луч света немного смещается за счет преломления света в стекле (степень смещения луча света определяется коэффициентом преломления стекла). В случае с аэрогелем, поскольку в нем просто меньше вещества, свет практически не преломляется. По этой же причине на его поверхности нет и намека на отражение, причем из-за крайне низкой плотности края аэрогеля размыты и сам он выглядит каким-то не совсем твердым, что, конечно же, неверно. По структуре внутренний каркас геля напоминает мыльную пену, с одним важным отличием: в аэрогеле пустоты внутри «пузырьков» взаимосвязаны. В кварцевом аэрогеле так много пустот, что обычно он на 99,8 % состоит из воздуха, его плотность всего в три раза превышает плотность воздуха и он почти невесом.

В то же время на темном фоне кварцевый аэрогель имеет отчетливый голубоватый оттенок, хотя должен быть совершенно бесцветным, коль скоро сделан из прозрачного стекла. Многие годы ученые искали причину этого явления, и она оказалась не менее удивительной, чем сам материал.

Когда солнечный свет попадает в земную атмосферу, его частицы (кванты) сталкиваются с молекулами различных веществ (главным образом азота и кислорода) и отскакивают от них, подобно шарикам для пинг-понга. Это называется рассеянием, и когда вы смотрите на небо в ясный день, вы видите свет, частицы которого, прежде чем достичь ваших глаз, многократно изменили свой путь, отскакивая от молекул в атмосфере. Если бы весь свет рассеивался одинаково, небо казалось бы белым. Но свет с меньшей длиной волны (голубой) рассеивается сильнее, чем свет с большей (красный и желтый), поэтому у неба голубой цвет.

Такое рассеяние называется рэлеевским. Оно весьма слабое, и чтобы его увидеть, требуется огромное количество молекул газа. В небе их достаточно, а в обычной комнате – нет. Иными словами, отдельные маленькие фрагменты неба не выглядят голубыми, но вся атмосфера имеет именно такой цвет. Однако если небольшая порция воздуха замкнута внутри прозрачного материала с миллиардами крошечных внутренних граней, рэлеевского рассеяния хватит, чтобы изменить цвет любого луча, падающего снаружи. У кварцевого аэрогеля именно такая структура – вот почему он голубой. Аэрогель у вас на ладони – маленький кусочек неба.

Пористые аэрогели обладают рядом интересных свойств, самое замечательное из которых – термоизоляция, то есть способность защищать от высоких температур.

Кварцевый аэрогель защищает цветок от пламени бунзеновской горелки

Аэрогель – надежный термоизолятор: если подставить под него бунзеновскую горелку, цветок, лежащий сверху, останется свежим и благоуханным.

Двойное остекление хорошо защищает от холодов, потому что пустое пространство между рамами мешает теплопередаче. Представьте себе, что атомы стекла расположены подобно слушателям на рок-концерте – плотной пританцовывающей толпой. Чем громче музыка, тем энергичней танец, тем чаще люди сталкиваются друг с другом. То же происходит и со стеклом: по мере нагревания материала атомы двигаются все активней. Фактически температура материала – это степень энергичности, с которой движутся атомы. Однако пустое пространство между оконными рамами затрудняет передачу энергии от атомов одного стекла к атомам другого. Разумеется, процесс работает в обе стороны: двойные рамы сохраняют тепло внутри зданий на Крайнем Севере и, наоборот, не пускают тепло внутрь зданий в Дубае.

Двойное остекление весьма эффективно, но все же допускает утечку тепла. Всякому, кто живет в холодном или жарком климате, об этом красноречиво говорят счета за электричество. Можно ли с этим что-то сделать? Ну да, бывает еще тройное и даже четверное остекление, с дополнительным барьером из одного-двух стекол. Но у стекла высокая плотность, поэтому с каждой новой рамой окна становятся более тяжелыми, громоздкими и менее прозрачными. Другое дело – аэрогель. Его пористая структура эквивалентна миллиардам стекол и воздушных прослоек. И потому он превосходно изолирует тепло. Обнаружив это и другие замечательные свойства аэрогеля, Кистлер упомянул о них в последнем предложении своей статьи:

«Кроме того, что данные наблюдения представляют научную ценность, необычайно интересны также физические свойства новых материалов».

В самом деле, необычайно интересны. Кистлер открыл лучший в мире термоизолятор.