Un aerogel es un material similar a un gel en el que el componente líquido se reemplaza por gas . Es un sólido de muy baja densidad con varias propiedades notables, incluida su capacidad para aislar térmicamente.
Fue creado por Steven Kistler en 1931 , durante una apuesta con Charles Learned de la forma: "¿Quién podría reemplazar el líquido dentro de un frasco de gel, por gas, sin que se retraiga?" " El trabajo de Kistler lo llevó a componer aerogeles de sílice , alúmina , óxido de cromo ( III ) u óxido de estaño . Los aerogeles compuestos de carbono se inventaron a principios de la década de 1990 .
En 2012 se sintetizaron aerogeles a base de polímeros . Tienen la ventaja de tener propiedades mecánicas más adecuadas para su uso en la industria.
El aerogel se compone de hasta un 99,8% de aire con una relación de masa de sólido / volumen de aerogel que puede caer a 0,16 mg / cm 3 , lo que lo convirtió en el sólido más ligero conocido hasta hace poco tiempo ( micro-celosía , aerógrafo ). Es casi completamente transparente y al tacto, recuerda al poliestireno . Apretarlo ligeramente no deja ninguna marca, presionarlo más fuerte deja un hueco permanente. Al presionarlo con fuerza, su escasa estructura se derrumba repentinamente, se rompe como un vidrio .
Aunque es propenso a dispersarse, es capaz de soportar más de 2000 veces su peso. Esta capacidad se debe a su microestructura dendrítica , con partículas esféricas con un tamaño promedio de 2-5 nm fusionadas en grupos, formando una estructura tridimensional de cadenas (en forma de fractales ) altamente porosa con poros que miden menos de 100 nm . El tamaño y la densidad media de los poros se pueden ajustar durante la fabricación.
El aerogel es un aislamiento notable porque detuvo casi por completo tres métodos de propagación de calor ( conducción de calor , radiación térmica y convección ). Es un buen inhibidor de la convección porque el aire no puede circular a través de la malla de la estructura. El aerogel de sílice es un buen aislante conductor Gracias a la sílice, que es un mal conductor del calor. Por otro lado, el aerogel metálico es un mejor conductor de calor. El aerogel de carbono es un buen aislante de radiación porque el carbono absorbe la radiación infrarroja que transfiere calor. El aerogel más aislante es el aerogel de sílice, con carbono añadido (casi tres veces más aislante que la lana de vidrio). Es posible mejorar aún más las capacidades aislantes de los aerogeles vaciándolos parcialmente de su aire (menos de 0.01 atm ).
Debido a su naturaleza higroscópica , el aerogel se siente seco al tacto y se seca. Dado que está compuesto principalmente de aire, parece semitransparente. Su color se debe a la dispersión de Rayleigh de la longitud de onda más pequeña de luz visible a través del tamaño nanométrico de la estructura dendrítica. Es por esto que aparece azulado cuando está frente a una superficie oscura y blanquecino frente a una superficie clara.
Se han realizado experimentos para fabricar aerogel en gravedad cero (mediante vuelo parabólico ). Entonces es completamente transparente.
Los aerogeles son básicamente hidrófilos , pero el tratamiento químico de sus superficies puede hacer que se vuelvan hidrófobos .
El aerogel más conocido es el sílice, pero los investigadores buscan producir aerogeles de base biológica , posiblemente más fuertes que el sílice.
En principio, la fabricación del aerogel consiste en sustituir el componente líquido de un gel de sílice (por aerogel de sílice) por gas. Técnicamente, el proceso es más complejo. Esto se debe a que la estructura del gel tiende a colapsar cuando simplemente se seca. Esto luego se vuelve poroso y se desmorona.
En la práctica, el hidrogel , un gel de sílice utilizado en particular para lentes de contacto blandas , se seca en condiciones de temperatura y presión extremas, reemplazando el agua por un líquido como el etanol en presencia de un "precursor", el alcóxido de sílice. El alcóxido es una especie de catalizador de la reacción. Está compuesto por alcohol y silicona. Su fórmula es Si (OR) 4. Esta reacción produce sílice:
Si (OCH 2 CH 3 ) 4 (líquido)+ 2H 2 O(líquido) → SiO 2 (sólido)+ 4HOCH 2 CH 3 (líquido).La sílice es un compuesto mineral estable con la fórmula SiO 2. Luego vino un proceso llamado secado supercrítico (en inglés : secado supercrítico ). En termodinámica, el punto crítico es una fase de transición entre líquidos y gases. Básicamente, los estados líquido y vapor son microscópicamente idénticos: se caracterizan por un desorden de átomos o moléculas. Además, existe una presión y una temperatura (denominadas críticas) para las que cesa repentinamente esta curva de coexistencia líquido-vapor. Más allá de eso, el cuerpo no es líquido ni gaseoso: es una fase fluida . Es mediante este proceso que se elimina el alcohol del gel. Esta operación se realiza en autoclave a presiones que varían de 50 a 60 bar, temperaturas de 5 a 10 ° C y durante 12 horas a 6 días. Entonces se logra el objetivo, el líquido ha sido reemplazado por un gas sin que la estructura del gel colapse o reduzca su volumen.
Existen procesos para fabricar aerogel a temperatura y presión ambiente pero, por el momento, los fabricantes los mantienen en secreto .
El aerogel puede realizar varias funciones. Comercialmente, los aerogeles en su forma granular se combinan con vidrio para reducir su pérdida de calor. Después de varias estancias en el Vomit Comet , un equipo de investigación descubrió que la producción de aerogel en gravedad cero produce partículas que tienen un tamaño más uniforme y que reducen el efecto de dispersión de Rayleigh en los aerogeles de sílice, por lo que el aerogel es más transparente. Los aerogeles de sílice transparentes podrían muy bien ser adecuados para reducir la pérdida de calor de las ventanas de los edificios .
Su gran superficie hace que se utilice con frecuencia, como en un absorbente químico para adsorción . Esta capacidad también le confiere un gran potencial como catalizador y transportador de catalizador . Las partículas de aerogel también se utilizan como agente espesante en pinturas y cosméticos .
Su rendimiento se puede incrementar para aplicaciones específicas, agregando "dopantes", fortaleciendo así sus estructuras y mezclando sus composiciones. Al utilizar este enfoque, el alcance de sus aplicaciones se puede aumentar considerablemente.
La producción de placas de aerogel con fines comerciales comenzó en la década de 2000 . Esta placa es un material compuesto de aerogel de sílice reforzado con fibra que transforma el aerogel en un material duradero y flexible. Las propiedades mecánicas y térmicas del producto varían según la elección de fibras, molde de aerogel y aditivos opacos incluidos.
En enero de 2004, la sonda Stardust utiliza aerogel para capturar el polvo del cometa Wild 2 . Estas partículas de polvo se vaporizan al impactar con sólidos y pasan a través de los gases, pero son capturadas por aerogel. La NASA también usó aerogel para proteger los trajes espaciales que usan los astronautas .
En octubre 2014, Bouygues Construction y el químico alemán BASF han firmado una alianza de innovación para perseguir conjuntamente el desarrollo de aplicaciones en el campo del aislamiento de edificios para productos basados en aerogel de poliuretano , denominado "Slentite". La bajísima conductividad térmica del material, inferior a 0,016 W m −1 K −1 , permite sustituir un aislante tradicional, como la lana mineral o el poliestireno, del 25 al 50%, garantizando al mismo tiempo una regulación higrotérmica del medio ambiente. interior. Entre las otras ventajas del material presentado el7 de octubre de 2014, la facilidad de corte sin polvo y la alta resistencia mecánica del producto. Las aplicaciones a gran escala aún no están aquí, pero BASF espera encontrar un sitio piloto para 2015.
El costo de producción es actualmente Demasiado alto para que el aerogel se comercialice a escala industrial. En 2014, el precio del aerogel era $ 1000 dólares la onza , o casi 30 € / g , aún así estar en el orden de € 90 para un cubo de 10 cm lado, o 1 L .