Гели представляют собой структурированные дисперсные системы. Наличие трёхмерного каркаса придает гелям механические свойства твёрдых тел, такие как отсутствие текучести, способность сохранять форму, прочность и способность к деформации. Знакомые нам на бытовом уровне гели, как правило, представляют собой гели, каркас которых образован полимерными или поверхностно-активными соединениями, которые заполнены низкомолекулярной жидкостью – водой.

Аэрогель представляет собой дисперсную систему, содержащую воздух вместо жидкости. Например, аэрогели, на основе диоксида кремния могут содержать до 99.98 % пор, заполненных воздухом. Материалы такого типа похожи на застывший дым – они прозрачны и легки. Помимо прочего такие материалы негорючи и отличаются крайне низкой теплопроводностью даже при высоких температурах, что, например, в свое время, привело к тому, что аэрогели использовались в качестве компонентов теплоизоляции шаттлов. Большая внутренняя поверхность аэрогелей потенциально может применяться в качестве носителя для катализаторов или фармацевтических материалов. Аэрогели на основе оксида кремния нетоксичны и безопасны для окружающей среды.

Рисунок из Angew. Chem. Int. Ed., 2012, DOI: 10.1002/anie.201105730

Практическое применение аэрогелей на основе оксида кремния, однако, затруднено из-за их чрезвычайной хрупкости. В качестве элементов, способных увеличить прочность аэрогелей на основе оксида кремния исследователи рассматривали синтетические полимеры, а также природные – например, целлюлозу.

Исследователи из Университета Вухань и Университета Токио получили новый композитный аэрогель из целлюлозы и диоксида кремния. Получение аэрогеля было начато с обработки целлюлозы щелочным раствором мочевины, что приводило к растворению целлюлозы и ее регенерации в виде нанофибриллярного геля. Этот целлюлозный гель на следующем этапе играет роль шаблонов для получения силикагеля в холе процесса золь-гель, в ходе которого растворенный органосиликатный Tкремнийорганический прекурсор, который подвергается поперечной сшивке, после чего осаждается на поверхности нановолокон целлюлозы. На заключительном этапе композитный гель, содержащий жидкость, просушивают сверхкритическим диоксидом углерода и получают аэрогель.

Новый композитный аэрогель демонстрируют интересную комбинацию полезных свойств: механической стабильности, гибкости и низкой теплопроводности, полупрозрачности и совместимостью с биологическими материалами. При необходимости целлюлозная составляющая аэрогелем может быть удалена выжиганием.