Существующая классификация аэрогелей достаточно широка. Во-первых, аэрогели могут быть классифицированы по природе на органические, неорганические и гибридные. К органическим аэрогелям относят углеродные, формальдегидные, полиуретановые, полиакрилатные, эпоксидные, желатиновые, пектиновые, на основе лигнина и т.д. К неорганическим относятся аэрогели на основе диоксида кремния, на основе оксидов металлов (алюминия, титана, циркония, железа, хрома и т.д.), металлические аэрогели. Существуют также гибридные аэрогели, представляющие собой композиции разных пропорций из органической и неорганической основы. По типу внутренней структуры аэрогели можно разделить на кластеры первичных глобул, аэрогели с сетевой структурой и аэрогели с гибридной структурой. По пористости разделяют высокоплотные, среднеплотные и низкоплотные аэрогели. Существует также классификация аэрогелей по размеру пор, в соответствии с которой аэрогели могут быть разделены на нанопористые, мезопористые и макропористые.

Рис. 2. Различные варианты аэрогелей: а — на основе хитозана-альгината и целлюлозы, б — на основе Са-альгината, в — Са-альгината и гидрогель

Рис. 3. Аэрогели на основе целлюлозы с различными включениями

Получение аэрогелей — это многостадийный процесс, включающий в себя стадии образования основной матрицы, поры которой заполнены растворителем, и стадию сверхкритической сушки, от которой во многом зависит качество получаемого аэрогеля. Существуют также альтернативные технологии получения высокопористых наноструктурированных материалов, но наибольшее распространение всё же получила именно технология с использованием сверхкритической сушки. Сверхкритическая сушка проводится в специализированных аппаратах высоко давления и представляет собой вытеснение растворителя из пор матрица аэрогеля флюидом, находящимся при сверхкритических условиях. Сверхкритические флюиды обладают плотностью близкой к плотности жидкости, но при этом их вязкость и текучесть близки к значениям, характерным для газов. В результате этого сверхритический флюид относительно легко проникает в матрицу аэрогеля, вытесняя и растворяя находящееся в ней вещество. Другой особенностью сверхкритических флюидов является возможность изменения их растворяющей способности тех или иных веществ путём изменения таких макроскопических параметров, как температура и давление. Данная особенность нашла широчайшее применение в пищевой и фармацевтической отраслях в виде процесса сверхкритической экстракции, в ходе которого давление и температура сверхкритического флюида подбираются таким образом, чтобы обеспечить растворение (и последующее выделение) только одного (или небольшой группы) целевого вещества. Наиболее широко используемым веществом для проведения сверхкритических процессов является диоксид углерода, так как он обладает сравнительно невысокими значениями температуры и давления (31,1 °С и 7,38 МПа), при которых он переходит в сверхкритическое состояние. Кроме того он нетоксичен, а также достаточно дёшев.

Современными тенденциями развития технологии получения аэрогелей являются прежде всего снижение эксплуатационных затрат производства, улучшение конструктивных и функциональных свойств аэрогелей и производство аэрогелей из биоматериалов.

Для решения проблемы связанной с высокими эксплуатационными затратами проводится большое количество экспериментов по проведению процесса сверхкритической сушки с целью оптимизации процесса, сокращения его продолжительности. Особое внимание уделяется использованию математического моделирования, как инструмента подбора оптимальных значений технологических параметров и масштабирования процесса сушки. Также предпринимаются попытки замены сверхкритической сушки обычной атмосферной сушкой и процессом пиролиза.

Для улучшения функциональных свойств аэрогелей проводятся работы по встраиванию функциональных групп в молекулы, формирующие структуру матрицы аэрогеля. В структуру аэрогеля также внедряются дополнительные элементы, такие как углеродные нанотрубки.

Многие работы посвящены получению аэрогелей на основе биополимеров, из переработанной биомассы или на основе целлюлозы.

Для изучения вопросов оптимизации ведения технологических процессов и масштабирования технологического оборудования специалистами Международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий (МУНЦ) используются такие современные методы моделирования, как вычислительная гидродинамика, позволяющая определять значения параметров потоков (скорости, температуры, давления, концентрации и т.д.) в каждой точке исследуемого аппарата. Для исследования процессов структурообразования при формировании матрицы аэрогеля используются клеточные автоматы, позволяющие воссоздавать даже мельчайшие элементы структуры.

Рис. 4. Методы математического моделирования для исследования сверхкритических процессов и структур аэрогелей: клеточные автоматы и вычислительная гидродинамика

МУНЦ оснащен собственными реакторами высокого давления и обладает всеми необходимыми аналитическими методами исследования получаемых образцов. Сотрудниками МУНЦ непрерывно ведётся работа по улучшению технологического оборудования для проведения процессов со сверхкритическими флюидами. Большое внимание уделяется простоте и надежности создаваемых конструкций, проводится работа по минимизации свободных объёмов, оказывающих влияние на точность проведения экспериментальных исследований.

Рис. 5. Оборудование производства РХТУ им.Д.И. Менделеева для проведения сверхкритических процессов

Опираясь на фундаментальные знания и собственный значительный опыт в проведении процессов при высоких давлениях, МУНЦ оказывает консультационные и инжиниринговые услуги по разработке и внедрению технологий производства аэрогелей, внедрения различных веществ в матрицы аэрогелей, проведения иных процессов, протекающих при сверхкритических условиях. Кроме того МУНЦ осуществляет выпуск лабораторного оборудования высокого давления для проведения экспериментальных исследований в следующих областях: получение высокопористых наноструктурированных материалов, разработка новых лекарственных форм, сверхкритическая экстракция, повышение нефтеотдачи пластов. При создании оборудования учитываются индивидуальные требования заказчика.