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Aerogel

Un bloque de aerogel de sílice en una mano.
Definición de la IUPAC

aerogel : gel compuesto de un sólido microporoso en el que la fase dispersa es un gas. (Véase la entrada del Libro Dorado para la nota.) [1]

Los aerogeles son una clase de material ultraligero poroso sintético derivado de un gel , en el que el componente líquido del gel ha sido reemplazado por un gas , sin un colapso significativo de la estructura del gel. [2] El resultado es un sólido con una densidad extremadamente baja [3] y una conductividad térmica extremadamente baja . Los aerogeles pueden estar hechos de una variedad de compuestos químicos . [4] Los aerogeles de sílice se sienten como espuma de poliestireno frágil al tacto, mientras que algunos aerogeles a base de polímeros se sienten como espumas rígidas.

Los aerogeles se producen extrayendo el componente líquido de un gel mediante secado supercrítico o liofilización . Esto permite que el líquido se seque lentamente sin provocar que la matriz sólida del gel colapse por acción capilar , como sucedería con la evaporación convencional . Los primeros aerogeles se produjeron a partir de geles de sílice . El trabajo posterior de Kistler involucró aerogeles basados ​​en alúmina , cromia y dióxido de estaño . Los aerogeles de carbono se desarrollaron por primera vez a fines de la década de 1980. [5]

Historia

El primer ejemplo documentado de un aerogel fue creado por Samuel Stephens Kistler en 1931, [6] como resultado de una apuesta [7] con Charles Learned sobre quién podría reemplazar el líquido en "gelatinas" con gas sin causar contracción. [8] [9]

Propiedades

Una flor que reposa sobre un trozo de aerogel de sílice, que se encuentra suspendido sobre la llama de un mechero Bunsen . Los aerogeles tienen excelentes propiedades aislantes y la flor queda protegida del calor de la llama.

A pesar del nombre, los aerogeles son materiales sólidos, rígidos y secos que no se parecen a un gel en sus propiedades físicas: el nombre proviene del hecho de que están hechos de geles. Presionar suavemente sobre un aerogel normalmente no deja ni siquiera una marca menor; presionar más firmemente dejará una depresión permanente. Presionar con extrema firmeza provocará una ruptura catastrófica en la estructura dispersa, haciendo que se rompa como el vidrio (una propiedad conocida como friabilidad ), aunque las variaciones más modernas no sufren de esto. A pesar de que es propenso a romperse, es muy fuerte estructuralmente. Su impresionante capacidad de soportar cargas se debe a la microestructura dendrítica , en la que partículas  esféricas de tamaño medio de 2 a 5 nm se fusionan en grupos. Estos grupos forman una estructura tridimensional altamente porosa de cadenas casi fractales , con poros de poco menos de 100 nm. El tamaño medio y la densidad de los poros se pueden controlar durante el proceso de fabricación.

Un material de aerogel puede tener entre un 50% y un 99,98% de aire por volumen, pero en la práctica la mayoría de los aerogeles presentan una porosidad de entre un 90% y un 99,8%. [10] Los aerogeles tienen una red sólida porosa que contiene bolsas de aire, y estas bolsas de aire ocupan la mayor parte del espacio dentro del material. [11]

Los aerogeles son buenos aislantes térmicos porque anulan casi por completo dos de los tres métodos de transferencia de calor : conducción (están compuestos principalmente de gas aislante) y convección (la microestructura impide el movimiento neto de gases). Son buenos aislantes conductores porque están compuestos casi en su totalidad de gases, que son muy malos conductores del calor. (El aerogel de sílice es un aislante especialmente bueno porque la sílice también es un mal conductor del calor; un aerogel metálico o de carbono, por otro lado, sería menos efectivo). Son buenos inhibidores de la convección porque el aire no puede circular a través de la red. Los aerogeles son malos aislantes radiativos porque la radiación infrarroja (que transfiere calor) pasa a través de ellos.

Debido a su naturaleza higroscópica , el aerogel se siente seco y actúa como un fuerte desecante . Las personas que manipulen el aerogel durante períodos prolongados deben usar guantes para evitar la aparición de manchas secas y quebradizas en la piel.

El ligero color que tiene se debe a la dispersión de Rayleigh de las longitudes de onda más cortas de la luz visible por la estructura dendrítica de tamaño nanométrico. Esto hace que aparezca de un azul ahumado contra fondos oscuros y amarillento contra fondos brillantes.

Los aerogeles por sí mismos son hidrófilos , y si absorben humedad suelen sufrir un cambio estructural, como la contracción, y deteriorarse, pero la degradación se puede prevenir haciéndolos hidrófobos , mediante un tratamiento químico. Los aerogeles con interiores hidrófobos son menos susceptibles a la degradación que los aerogeles con solo una capa hidrófoba externa, especialmente si una grieta penetra la superficie.

Estructura

La estructura del aerogel resulta de una polimerización sol-gel , que es cuando los monómeros (moléculas simples) reaccionan con otros monómeros para formar un sol o una sustancia que consiste en macromoléculas unidas y reticuladas con depósitos de solución líquida entre ellas. Cuando el material se calienta críticamente, el líquido se evapora y la estructura de la macromolécula unida y reticulada queda atrás. El resultado de la polimerización y el calentamiento crítico es la creación de un material que tiene una estructura fuerte porosa clasificada como aerogel. [12] Las variaciones en la síntesis pueden alterar el área de superficie y el tamaño de poro del aerogel. Cuanto menor sea el tamaño de poro, más susceptible es el aerogel a fracturarse. [13]

Porosidad del aerogel

Existen varias formas de determinar la porosidad del aerogel: los tres métodos principales son la adsorción de gas , la porosimetría de mercurio y el método de dispersión. En la adsorción de gas, el nitrógeno en su punto de ebullición se adsorbe en la muestra de aerogel. El gas que se adsorbe depende del tamaño de los poros dentro de la muestra y de la presión parcial del gas en relación con su presión de saturación . El volumen del gas adsorbido se mide utilizando la fórmula de Brunauer, Emmit y Teller ( BET ), que proporciona el área de superficie específica de la muestra. A alta presión parcial en la adsorción/desorción, la ecuación de Kelvin proporciona la distribución del tamaño de poro de la muestra. En la porosimetría de mercurio, el mercurio se fuerza dentro del sistema poroso del aerogel para determinar el tamaño de los poros, pero este método es altamente ineficiente ya que el marco sólido del aerogel colapsará por la alta fuerza de compresión. El método de dispersión implica la desviación de la radiación dependiente del ángulo dentro de la muestra de aerogel. La muestra puede ser partículas sólidas o poros. La radiación penetra en el material y determina la geometría fractal de la red de poros del aerogel. Las mejores longitudes de onda de radiación para utilizar son los rayos X y los neutrones. El aerogel también es una red porosa abierta: la diferencia entre una red porosa abierta y una red porosa cerrada es que en la red abierta, los gases pueden entrar y salir de la sustancia sin ninguna limitación, mientras que una red porosa cerrada atrapa los gases dentro del material obligándolos a permanecer dentro de los poros. [14] La alta porosidad y área de superficie de los aerogeles de sílice permiten que se utilicen en una variedad de aplicaciones de filtración ambiental.

Efecto Knudsen

Los aerogeles pueden tener una conductividad térmica menor que la del gas que contienen. [15] [16] Esto es causado por el efecto Knudsen , una reducción de la conductividad térmica en los gases cuando el tamaño de la cavidad que rodea al gas se vuelve comparable al camino libre medio . Efectivamente, la cavidad restringe el movimiento de las partículas de gas, disminuyendo la conductividad térmica además de eliminar la convección. Por ejemplo, la conductividad térmica del aire es de aproximadamente 25 mW·m −1 ·K −1 en STP y en un recipiente grande, pero disminuye a aproximadamente 5 mW·m −1 ·K −1 en un poro de 30 nanómetros de diámetro. [17]

Impermeabilización

El aerogel contiene partículas de 2 a 5 nm de diámetro. Después del proceso de creación del aerogel, contendrá una gran cantidad de grupos hidroxilo en la superficie. Los grupos hidroxilo pueden causar una fuerte reacción cuando el aerogel se coloca en agua, haciendo que se disuelva catastróficamente en el agua. Una forma de impermeabilizar el aerogel hidrófilo es empapándolo con alguna base química que reemplace los grupos hidroxilo de la superficie (–OH) con grupos no polares (–O R ), un proceso que es más efectivo cuando R es un grupo alifático . [18]

Producción

Comparación de estrategias de fabricación de aerogel que muestran transiciones típicas hacia un aerogel: (a) el proceso de secado supercrítico donde los materiales precursores experimentan gelificación antes del secado supercrítico. (b) Una técnica estándar de liofilización donde se congela una solución acuosa.
Diagrama de fases típico para compuestos puros. Se muestran dos métodos para la transición de gel a aerogel: la transición de sólido a gas (durante la liofilización) y la transición de líquido a gas durante el secado supercrítico.

Descripción general

La preparación de aerogeles de sílice generalmente implica tres pasos distintos: [19] la transición sol-gel (gelificación), [20] el perfeccionamiento de la red (envejecimiento) y [21] la transición gel-aerogel (secado).

Solidificación

Los aerogeles de sílice se sintetizan típicamente mediante un proceso sol-gel. El primer paso del proceso sol-gel es la creación de una suspensión coloidal de partículas sólidas conocida como "sol". Los precursores son un alcohol líquido como el etanol que se mezcla con un alcóxido de silicio , como el tetrametoxisilano (TMOS), el tetraetoxisilano (TEOS) y el polietoxidisiloxano (PEDS) (en trabajos anteriores se utilizaban silicatos de sodio). [22] La solución de sílice se mezcla con un catalizador y se deja gelificar durante una reacción de hidrólisis que forma partículas de dióxido de silicio. [23] La suspensión de óxido comienza a sufrir reacciones de condensación que dan como resultado la creación de puentes de óxido metálico (ya sean puentes M–O–M, "oxo" , o puentes M–OH–M, " ol ") que unen las partículas coloidales dispersas. [24] Estas reacciones generalmente tienen velocidades de reacción moderadamente lentas y, como resultado, se utilizan catalizadores ácidos o básicos para mejorar la velocidad de procesamiento. Los catalizadores básicos tienden a producir aerogeles más transparentes y minimizan la contracción durante el proceso de secado y también lo fortalecen para evitar el colapso de los poros durante el secado. [23]

Para algunos materiales, la transición de una dispersión coloidal a un gel ocurre sin la adición de materiales de reticulación. [25] Para otros, se añaden materiales de reticulación a la dispersión para promover la fuerte interacción de las partículas sólidas con el fin de formar el gel. [26] [27] El tiempo de gelificación depende en gran medida de una variedad de factores, como la composición química de la solución precursora, la concentración de los materiales precursores y aditivos, la temperatura de procesamiento y el pH. [26] [28] [29] [30] [31] Muchos materiales pueden requerir un curado adicional después de la gelificación (es decir, perfección de la red) para fortalecer la red del aerogel. [26] [32] [33] [34] [35] [36]

El secado

Una vez que se completa la gelificación, el líquido que rodea la red de sílice se retira con cuidado y se reemplaza con aire, manteniendo intacto el aerogel. Es fundamental que el gel se seque de manera que se minimice la tensión superficial dentro de los poros de la red sólida. Esto se logra típicamente mediante extracción con fluidos supercríticos utilizando dióxido de carbono supercrítico (scCO2 ) o liofilización. Esta sección describe y compara brevemente las estrategias de procesamiento de secado supercrítico y liofilización.

Los geles en los que se permite que el líquido se evapore a una velocidad natural se conocen como xerogeles (es decir, no son aerogeles). A medida que el líquido se evapora de esta manera, las fuerzas causadas por las tensiones superficiales de las interfaces líquido-sólido son suficientes para destruir la frágil red del gel. Como resultado, los xerogeles no pueden lograr altas porosidades y, en cambio, alcanzan su punto máximo en porosidades más bajas y exhiben grandes cantidades de contracción después del secado. [37] Para evitar el colapso de las fibras durante la evaporación lenta del solvente y reducir las tensiones superficiales de las interfaces líquido-sólido, se pueden formar aerogeles por liofilización (secado por congelación). Dependiendo de la concentración de las fibras y la temperatura para congelar el material, las propiedades como la porosidad del aerogel final se verán afectadas. [38]

En 1931, para desarrollar los primeros aerogeles, Kistler utilizó un proceso conocido como secado supercrítico que evita un cambio de fase directo. [39] Al aumentar la temperatura y la presión, forzó al líquido a un estado de fluido supercrítico donde al reducir la presión podía gasificar y eliminar instantáneamente el líquido dentro del aerogel, evitando dañar la delicada red tridimensional. Si bien esto se puede hacer con etanol , las altas temperaturas y presiones conducen a condiciones de procesamiento peligrosas. Un método más seguro, de temperatura y presión más bajas, implica un intercambio de solvente. Esto generalmente se hace intercambiando el líquido poroso acuoso inicial por un líquido miscible con CO 2 como etanol o acetona , luego sobre dióxido de carbono líquido y luego llevando el dióxido de carbono por encima de su punto crítico . [40] Una variante de este proceso implica la inyección directa de dióxido de carbono supercrítico en el recipiente a presión que contiene el aerogel. El resultado de cualquiera de los procesos intercambia el líquido inicial del gel con dióxido de carbono, sin permitir que la estructura del gel colapse o pierda volumen. [23]

Secado supercrítico

Para secar el gel, al mismo tiempo que se conserva la red altamente porosa de un aerogel, el secado supercrítico emplea el uso de la transición líquido-gas que ocurre más allá del punto crítico de una sustancia. Al utilizar esta transición líquido-gas que evita cruzar el límite de fase líquido-gas, se elimina la tensión superficial que surgiría dentro de los poros debido a la evaporación de un líquido, evitando así el colapso de los poros. [41] A través del calentamiento y la presurización, el disolvente líquido alcanza su punto crítico, punto en el que las fases líquida y gaseosa se vuelven indistinguibles. Más allá de este punto, el fluido supercrítico se convierte en la fase gaseosa mediante una despresurización isotérmica. Este proceso da como resultado un cambio de fase sin cruzar el límite de fase líquido-gas. Se ha demostrado que este método es excelente para preservar la naturaleza altamente porosa de la red sólida sin una contracción o agrietamiento significativos. Si bien se han reportado otros fluidos para la creación de aerogeles secados supercríticamente, el scCO2 es la sustancia más común con un punto supercrítico relativamente suave a 31 °C y 7,4 MPa. El CO2 también es relativamente no tóxico, no inflamable, inerte y rentable en comparación con otros fluidos, como el metanol o el etanol. [42] Si bien es un método altamente efectivo para producir aerogeles, el secado supercrítico lleva varios días, requiere equipo especializado y presenta riesgos de seguridad significativos debido a su operación a alta presión.

Liofilización

La liofilización, también conocida como moldeo por congelación o moldeo por hielo, ofrece una alternativa a los requisitos de alta temperatura y alta presión del secado supercrítico. Además, la liofilización ofrece un mayor control del desarrollo de la estructura sólida al controlar el crecimiento de los cristales de hielo durante la congelación. [43] [44] [45] [46] En este método, se congela una dispersión coloidal de los precursores del aerogel, y el componente líquido se congela en diferentes morfologías según una variedad de factores, como la concentración del precursor, el tipo de líquido, la temperatura de congelación y el recipiente de congelación. [44] [45] [46] A medida que este líquido se congela, las moléculas precursoras sólidas se ven obligadas a entrar en los espacios entre los cristales en crecimiento. Una vez completamente congelado, el líquido congelado se sublima en un gas a través de la liofilización, que elimina gran parte de las fuerzas capilares, como se observó en el secado supercrítico. [47] [48] Aunque generalmente se clasifican como "criogeles", los aerogeles producidos mediante liofilización a menudo experimentan cierta contracción y agrietamiento, al tiempo que producen una estructura de aerogel no homogénea. [41] Esto a menudo lleva a que la liofilización se utilice para la creación de polvos de aerogel o como estructura para aerogeles compuestos. [49] [50] [51] [52] [53]

Preparación de aerogeles sin sílice

El aerogel de resorcinol - formaldehído (aerogel RF) se fabrica de una manera similar a la producción de aerogel de sílice. Luego se puede hacer un aerogel de carbono a partir de este aerogel de resorcinol-formaldehído por pirólisis en una atmósfera de gas inerte , dejando una matriz de carbono . [54] El aerogel de carbono resultante se puede utilizar para producir formas sólidas, polvos o papel compuesto. [55] Los aditivos han tenido éxito en la mejora de ciertas propiedades del aerogel para el uso en aplicaciones específicas. Los compuestos de aerogel se han fabricado utilizando una variedad de refuerzos continuos y discontinuos . La alta relación de aspecto de las fibras, como la fibra de vidrio, se ha utilizado para reforzar los compuestos de aerogel con propiedades mecánicas significativamente mejoradas.

Materiales

Un ladrillo de 2,5 kg está sostenido por un trozo de aerogel con una masa de 2 g.

Aerogel de sílice

Los aerogeles de sílice son el tipo más común de aerogel y el tipo principal en uso o estudio. [39] [56] Está basado en sílice y puede derivarse del gel de sílice o mediante un proceso Stober modificado . Los apodos incluyen humo congelado , [57] humo sólido , aire sólido , nube sólida y humo azul , debido a su naturaleza translúcida y la forma en que la luz se dispersa en el material. La nanoespuma de sílice de menor densidad pesa 1000 g/m3 , [ 58] que es la versión evacuada del aerogel récord de 1900 g/m3 . [ 59] La densidad del aire es de 1200 g/m3 ( a 20 °C y 1 atm). [60]

La sílice se solidifica en cúmulos entrelazados tridimensionales que constituyen solo el 3% del volumen. Por lo tanto, la conducción a través del sólido es muy baja. El 97% restante del volumen está compuesto de aire en nanoporos extremadamente pequeños. El aire tiene poco espacio para moverse, lo que inhibe tanto la convección como la conducción en fase gaseosa. [61]

El aerogel de sílice también tiene una alta transmisión óptica de ~99% y un bajo índice de refracción de ~1,05. [62] Es muy robusto con respecto al haz de entrada de alta potencia en régimen de onda continua y no muestra ningún fenómeno de ebullición o fusión. [63] Esta propiedad permite estudiar ondas no lineales de alta intensidad en presencia de desorden en regímenes típicamente inaccesibles para materiales líquidos, lo que lo convierte en un material prometedor para la óptica no lineal.

Este aerogel tiene notables propiedades de aislamiento térmico, con una conductividad térmica extremadamente baja : desde 0,003  W ·m −1 · K −1 [64] en presión atmosférica hasta 0,004 W·m −1 · K −1 [58] en un vacío moderado, que corresponden a valores R de 14 a 105 (habitual en EE. UU.) o de 3,0 a 22,2 (métrico) para un espesor de 3,5 pulgadas (89 mm). A modo de comparación, el aislamiento de pared típico es de 13 (habitual en EE. UU.) o de 2,7 (métrico) para el mismo espesor. Su punto de fusión es de 1473 K (1200 °C; 2192 °F). También vale la pena señalar que se han informado conductividades incluso más bajas para muestras monolíticas producidas experimentalmente en la literatura, alcanzando 0,009 W·m −1 · K −1 a 1 atm. [65]

Hasta 2011, el aerogel de sílice tenía 15 entradas en el Libro Guinness de Récords Mundiales por propiedades de material, incluyendo mejor aislante y sólido de menor densidad, aunque fue desplazado del último título por materiales aún más livianos, el aerografito, en 2012 [66] y luego por el aerografeno en 2013. [67] [68]

Carbón

Los aerogeles de carbono están compuestos de partículas con tamaños en el rango nanométrico , unidas covalentemente entre sí. Tienen una porosidad muy alta (más del 50%, con un diámetro de poro inferior a 100 nm) y áreas superficiales que varían entre 400 y 1.000 m 2 /g. A menudo se fabrican como papel compuesto: papel no tejido hecho de fibras de carbono , impregnado con aerogel de resorcinol - formaldehído y pirolizado . Dependiendo de la densidad, los aerogeles de carbono pueden ser conductores de electricidad, lo que hace que el papel de aerogel compuesto sea útil para electrodos en condensadores o electrodos de desionización. Debido a su área superficial extremadamente alta, los aerogeles de carbono se utilizan para crear supercondensadores , con valores que varían hasta miles de faradios basados ​​en una densidad de capacitancia de 104 F/g y 77 F/cm 3 . Los aerogeles de carbono también son extremadamente "negros" en el espectro infrarrojo, reflejando sólo el 0,3% de la radiación entre 250 nm y 14,3 μm, lo que los hace eficientes para los colectores de energía solar .

El término "aerogel" para describir las masas aireadas de nanotubos de carbono producidas mediante ciertas técnicas de deposición química en fase de vapor es incorrecto. Dichos materiales pueden hilarse para formar fibras con una resistencia mayor que la del Kevlar y con propiedades eléctricas únicas. Sin embargo, estos materiales no son aerogeles, ya que no tienen una estructura interna monolítica ni la estructura de poros regulares característica de los aerogeles.

Óxido de metal

Los aerogeles de óxido metálico se utilizan como catalizadores en diversas reacciones/transformaciones químicas o como precursores de otros materiales.

Los aerogeles fabricados con óxido de aluminio se conocen como aerogeles de alúmina. Estos aerogeles se utilizan como catalizadores, especialmente cuando están "dopados" con un metal distinto del aluminio. El aerogel de níquel -alúmina es la combinación más común. La NASA también está considerando los aerogeles de alúmina para capturar partículas de hipervelocidad; una formulación dopada con gadolinio y terbio podría emitir fluorescencia en el lugar de impacto de la partícula, y la cantidad de fluorescencia dependería de la energía del impacto.

Una de las diferencias más notables entre los aerogeles de sílice y los aerogeles de óxido metálico es que los aerogeles de óxido metálico suelen tener colores variados. [69]

Otro

Los polímeros orgánicos se pueden utilizar para crear aerogeles. El SEAgel está hecho de agar . La película AeroZero está hecha de poliimida . La celulosa de plantas se puede utilizar para crear un aerogel flexible. [70]

GraPhage13 es el primer aerogel basado en grafeno ensamblado utilizando óxido de grafeno y el bacteriófago M13 . [71]

El chalcogel es un aerogel hecho de calcógenos (la columna de elementos en la tabla periódica que comienza con el oxígeno) como el azufre, el selenio y otros elementos. [72] En su creación se han utilizado metales menos costosos que el platino.

Se han desarrollado aerogeles hechos de puntos cuánticos de seleniuro de cadmio en una red porosa tridimensional para su uso en la industria de semiconductores. [73]

El rendimiento del aerogel se puede aumentar para una aplicación específica mediante la adición de dopantes , estructuras de refuerzo y compuestos hibridizantes. Por ejemplo, Spaceloft es un compuesto de aerogel con algún tipo de relleno fibroso. [74]

Aplicaciones

Los aerogeles se utilizan para una variedad de aplicaciones:

Seguridad

No se sabe que los aerogeles a base de sílice sean cancerígenos o tóxicos. Sin embargo, son un irritante mecánico para los ojos, la piel, el tracto respiratorio y el sistema digestivo. También pueden provocar sequedad de la piel, los ojos y las membranas mucosas. [119] Por lo tanto, se recomienda utilizar equipo de protección que incluya protección respiratoria, guantes y gafas protectoras siempre que se manipulen o procesen aerogeles desnudos, en particular cuando pueda formarse polvo o fragmentos finos. [120]

Véase también

Referencias

 Este artículo incorpora texto de Elizabeth Barrios, David Fox, Yuen Yee Li Sip, Ruginn Catarata, Jean E. Calderon, Nilab Azim, Sajia Afrin, Zeyang Zhang y Lei Zhai disponible bajo la licencia CC BY 4.0.

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Lectura adicional

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