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aerogel

Un bloque de aerogel de sílice en una mano.

Los aerogeles son una clase de material sintético poroso ultraligero 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. [1] El resultado es un sólido con una densidad extremadamente baja [2] y una conductividad térmica extremadamente baja . Los aerogeles se pueden fabricar a partir de una variedad de compuestos químicos. [3] 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.

El primer ejemplo documentado de aerogel fue creado por Samuel Stephens Kistler en 1931, [4] como resultado de una apuesta [5] con Charles Learned sobre quién podría reemplazar el líquido de las "gelatinas" con gas sin causar contracción. [6] [7]

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 a base de alúmina , cromia y dióxido de estaño . Los aerogeles de carbono se desarrollaron por primera vez a finales de los años 1980. [8]

Propiedades

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

A pesar de su 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. Por lo general, presionar suavemente un aerogel no deja ni siquiera una marca menor; presionar con más firmeza dejará una depresión permanente. Una presión extremadamente fuerte provocará una ruptura catastrófica en la escasa estructura, provocando que se rompa como el vidrio (propiedad conocida como friabilidad ), aunque las variaciones más modernas no sufren esto. A pesar de que es propenso a romperse, es estructuralmente muy fuerte. Su impresionante capacidad de carga 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 50% y 99,98% de aire en volumen, pero en la práctica la mayoría de los aerogeles exhiben entre 90 y 99,8% de porosidad. [9] Los aerogeles tienen una red sólida porosa que contiene bolsas de aire, y las bolsas de aire ocupan la mayor parte del espacio dentro del material. [10]

Los aerogeles son buenos aislantes térmicos porque casi anulan dos de los tres métodos de transferencia de calor : conducción (están compuestos principalmente de gas aislante) y convección (la microestructura evita el movimiento neto del gas). Son buenos aislantes conductores porque están compuestos casi en su totalidad por 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 eficaz). 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) los atraviesa.

Debido a su naturaleza higroscópica , el aerogel se siente seco y actúa como un fuerte desecante . Las personas que manipulan 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 Rayleigh de las longitudes de onda más cortas de la luz visible por la estructura dendrítica de tamaño nanométrico. Esto hace que parezca azul ahumado sobre fondos oscuros y amarillento sobre fondos brillantes.

Los aerogeles por sí solos son hidrófilos , y si absorben humedad suelen sufrir un cambio estructural, como 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 sólo una capa hidrófoba exterior, especialmente si una grieta penetra en la superficie.

efecto knudsen

Los aerogeles pueden tener una conductividad térmica menor que la del gas que contienen. [11] [12] Esto es causado por el efecto Knudsen , una reducción de la conductividad térmica en los gases cuando el tamaño de la cavidad que rodea el 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 a temperatura ambiente y en un recipiente grande, pero disminuye a aproximadamente 5 mW·m −1 ·K −1 en un poro de 30 nanómetros de diámetro. [13]

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 entrecruzadas con depósitos de solución líquida entre ellas. Cuando el material se calienta críticamente, el líquido se evapora y el marco de macromolécula reticulada y unida queda atrás. El resultado de la polimerización y el calentamiento crítico es la creación de un material que tiene una estructura porosa fuerte clasificado como aerogel. [14] Las variaciones en la síntesis pueden alterar el área de superficie y el tamaño de los poros del aerogel. Cuanto menor sea el tamaño de los poros, más susceptible será el aerogel a fracturarse. [15]

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 provocar una fuerte reacción cuando el aerogel se coloca en agua, provocando que se disuelva catastróficamente en el agua. Una forma de impermeabilizar el aerogel hidrofílico es empapar el aerogel 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 . . [dieciséis]

Porosidad del aerogel

Hay 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 da el área de superficie específica de la muestra. A una presión parcial alta 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 introduce en el sistema poroso del aerogel para determinar el tamaño de los poros, pero este método es muy ineficiente ya que la estructura sólida del aerogel colapsará debido a 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 a utilizar son los rayos X y los neutrones. 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 forzándolos. que permanezcan dentro de los poros. [17] La ​​alta porosidad y superficie de los aerogeles de sílice permiten su uso en una variedad de aplicaciones de filtración ambiental.

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. [18] [19] Tiene una base de sílice y puede derivarse de gel de sílice o mediante un proceso Stober modificado . Los apodos incluyen humo congelado , [20] 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 1.000 g/m 3 , [21] que es la versión evacuada del aerogel récord de 1.900 g/m 3 . [22] La densidad del aire es de 1.200 g/m 3 (a 20 °C y 1 atm). [23]

La sílice se solidifica en grupos tridimensionales entrelazados que constituyen sólo el 3% del volumen. Por 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. [24]

El aerogel de sílice también tiene una alta transmisión óptica de ~99 % y un índice de refracción bajo de ~1,05. [25] 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. [26] 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, teniendo una conductividad térmica extremadamente baja : desde 0,03  W ·m −1 · K −1 [27] en presión atmosférica hasta 0,004 W·m −1 ·K −1 [21] en un modesto vacío. , 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 13 (habitual en EE. UU.) o 2,7 (métrico) para el mismo espesor. Su punto de fusión es 1.473 K (1.200 °C; 2.192 °F). También vale la pena señalar que en la literatura se han informado conductividades aún más bajas para muestras monolíticas producidas experimentalmente, alcanzando 0,009 W · m −1 · K −1 a 1 atm. [28]

Hasta 2011, el aerogel de sílice tenía 15 entradas en los récords mundiales Guinness por las propiedades de los materiales, incluido el de mejor aislante y el sólido de menor densidad, aunque fue desbancado de este último título por el aerógrafo , un material aún más ligero , en 2012 [29] y luego por el aerógrafo en 2013. [30] [31]

Carbón

Los aerogeles de carbono están compuestos de partículas con tamaños en el rango nanométrico , unidas entre sí de forma covalente . Tienen una porosidad muy alta (más del 50%, con un diámetro de poro inferior a 100 nm) y superficies que oscilan 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 resorcinol ( aerogel de 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 masas aireadas de nanotubos de carbono producidos mediante ciertas técnicas de deposición química de vapor es incorrecto. Dichos materiales se pueden hilar en fibras con una resistencia mayor que la del Kevlar y propiedades eléctricas únicas. Sin embargo, estos materiales no son aerogeles, ya que no tienen una estructura interna monolítica y no tienen la estructura de poros regular 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 elaborados 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 y alúmina es la combinación más común. La NASA también está considerando los aerogeles de alúmina para capturar partículas a hipervelocidad; una formulación dopada con gadolinio y terbio podría emitir fluorescencia en el lugar del impacto de la partícula, y la cantidad de fluorescencia depende 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. [32]

Otro

Se pueden utilizar polímeros orgánicos para crear aerogeles. SEAgel está hecho de agar . La película AeroZero está hecha de poliimida . Se puede utilizar celulosa de plantas para crear un aerogel flexible. [33]

GraPhage13 es el primer aerogel a base de grafeno ensamblado utilizando óxido de grafeno y el bacteriófago M13 . [34]

Chalcogel es un aerogel hecho de calcógenos (la columna de elementos de la tabla periódica que comienza con el oxígeno) como azufre, selenio y otros elementos. [35] 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 tridimensional porosa para su uso en la industria de los semiconductores. [36]

El rendimiento del aerogel se puede aumentar para una aplicación específica mediante la adición de dopantes , estructuras de refuerzo y compuestos hibridantes. Por ejemplo, Spaceloft es un compuesto de aerogel con algún tipo de guata fibrosa. [37]

Aplicaciones

Los aerogeles se utilizan para una variedad de aplicaciones:

Producción

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

Los aerogeles de sílice normalmente se sintetizan mediante un proceso sol-gel. El primer paso 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) (trabajos anteriores utilizaban silicatos de sodio). [79] 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. [80] La suspensión de óxido comienza a sufrir reacciones de condensación que dan como resultado la creación de puentes de óxido metálico (ya sea M – O – M, puentes "oxo" , o M – OH – M, puentes " ol ") que unen las partículas coloidales dispersas. . [81] 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 minimizar la contracción durante el proceso de secado y también fortalecerlo para evitar el colapso de los poros durante el secado. [80]

Finalmente, durante el proceso de secado del aerogel, el líquido que rodea la red de sílice se retira cuidadosamente y se reemplaza con aire, manteniendo intacto el aerogel. Los geles en los que se permite que el líquido se evapore a un ritmo natural se conocen como xerogeles . A medida que el líquido se evapora, las fuerzas causadas por las tensiones superficiales de las interfaces líquido-sólido son suficientes para destruir la frágil red de gel. Como resultado, los xerogeles no pueden alcanzar porosidades altas y, en cambio, alcanzan su punto máximo en porosidades más bajas y exhiben grandes cantidades de contracción después del secado. [82] Para evitar el colapso de las fibras durante la evaporación lenta del disolvente y reducir las tensiones superficiales de las interfaces líquido-sólido, se pueden formar aerogeles mediante liofilización (liofilización). Dependiendo de la concentración de las fibras y de la temperatura a congelar el material, se verán afectadas propiedades como la porosidad del aerogel final. [83]

En 1931, para desarrollar los primeros aerogeles, Kistler utilizó un proceso conocido como secado supercrítico que evita un cambio de fase directo. [18] Al aumentar la temperatura y la presión, obligó al líquido a un estado de fluido supercrítico donde, al disminuir la presión, podía gasificar y eliminar instantáneamente el líquido dentro del aerogel, evitando daños a 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 y de menor temperatura y presión implica un intercambio de disolventes. Esto normalmente se hace intercambiando el líquido acuoso inicial de los poros por un líquido miscible con CO2 como etanol o acetona , luego por dióxido de carbono líquido y luego llevando el dióxido de carbono por encima de su punto crítico . [84] 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. [80]

El aerogel de resorcinol – formaldehído (aerogel de RF) se fabrica de forma similar a la producción de aerogel de sílice. Luego se puede fabricar un aerogel de carbono a partir de este aerogel de resorcinol-formaldehído mediante pirólisis en una atmósfera de gas inerte , dejando una matriz de carbono . [85] El aerogel de carbono resultante se puede utilizar para producir formas sólidas, polvos o papel compuesto. [86] Los aditivos han tenido éxito en mejorar ciertas propiedades del aerogel para el uso de aplicaciones específicas. Los compuestos de aerogel se han fabricado utilizando una variedad de refuerzos continuos y discontinuos . La alta relación de aspecto de fibras como la fibra de vidrio se ha utilizado para reforzar compuestos de aerogel con propiedades mecánicas significativamente mejoradas.

Seguridad

No se sabe que los aerogeles a base de sílice sean cancerígenos o tóxicos. Sin embargo, son irritantes mecánicos 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. [87] Por lo tanto, se recomienda el uso de equipo de protección que incluya protección respiratoria, guantes y gafas protectoras siempre que se manipule o procese aerogeles desnudos, particularmente cuando pueda formarse polvo o fragmentos finos. [88]

Ver también

Referencias

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Otras lecturas

enlaces externos

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