Aerogel:notable material aislante del futuro

Estamos en medio de una nueva carrera para explorar el espacio exterior, y los nuevos materiales están a la vanguardia del avance tecnológico . Considere las necesidades de un traje espacial. Debe proteger al astronauta de las temperaturas extremas del espacio, pero debe ser lo más delgado y liviano posible para ayudar en la maniobrabilidad.

La NASA desarrolló materiales aislantes de aerogel para su uso en la exploración espacial , pero en los últimos años, los aerogeles se han vuelto disponibles comercialmente y están encontrando usos en una variedad de otras áreas.

Los aerogeles son excelentes aislantes térmicos. Aquí, un trozo de aerogel protege una flor de un soplete.

Los aerogeles son materiales avanzados que, por su estructura ultraporosa, permiten a los ingenieros diseñar no solo nuevos aislamientos térmicos para trajes espaciales y vehículos , pero también filtros, baterías, colectores de calor solar y más .

Sin embargo, los "aerogeles" no son un tipo de material . Más bien, son una forma especial de sólido que puede estar hecho de sílice, polímeros, óxidos, carbono y otros materiales . Aunque los aerogeles son sólidos, contienen tantos pequeños huecos o "poros" que en su mayoría están compuestos de aire.

En este artículo, responderemos las siguientes preguntas:

• ¿Qué es un aerogel?
• ¿Cómo hacer aerogeles?
• ¿Cuáles son las propiedades clave de los aerogeles?
• ¿Cuáles son las aplicaciones de los aerogeles?

¿Qué es un aerogel?

Los aerogeles son materiales ultraporosos , lo que significa que aunque son sólidos, están llenos de diminutos agujeros llenos de aire llamados poros. Esos poros son la clave de las propiedades únicas de los aerogeles . Si bien muchos materiales son porosos, como las espumas y ciertas cerámicas, los aerogeles son un caso extremo.

En los aerogeles, los poros constituyen la mayor parte del material , dando como resultado un material sólido ultraligero . Los poros en los aerogeles también son extremadamente pequeños, mucho más pequeños que un cabello humano y demasiado pequeños para ser vistos a simple vista. Como resultado, los aerogeles son tan ligeros y translúcidos que tienen apodos como "nube sólida ” y “humo helado ”.

¿Cuáles son las propiedades clave de los aerogeles?

Los aerogeles son tan porosos que hasta el 95 % de su volumen es aire , que les otorga una variedad de propiedades inusuales . Entre ellos está el hecho de que se encuentran entre los materiales más ligeros jamás creados o descubiertos , lo que los hace especialmente útiles en aplicaciones aeroespaciales donde el ahorro de peso es vital.

Las propiedades de los aerogeles incluyen:

• Densidad extremadamente baja (consulte una búsqueda de Matmatch para baja densidad)
• Conductividad térmica muy baja (consulte una búsqueda de Matmatch para conductividad térmica baja)
• Gran superficie para reacciones catalíticas o electroquímicas
• Translucidez (ver una búsqueda de Matmatch para transmitancia óptica)

La clave de estas propiedades únicas es el hecho de que los aerogeles no solo son muy porosos , pero los poros también son extremadamente pequeños – demasiado pequeño para ver con el ojo humano. Esto significa que los aerogeles no solo se benefician de la baja conductividad térmica del aire dentro de los poros, sino que el aire no puede fluir fácilmente , lo que potencia aún más sus capacidades como aislantes térmicos .

¿Cómo hacer aerogeles?

A pesar de su nombre, los aerogeles no son geles , son sólidos altamente porosos que están compuestos principalmente de aire. Los aerogeles comienzan como un líquido , se transforman en un gel, luego se elimina el líquido. Sus estructuras de poros únicas se crean preservando las estructuras creadas cuando las partículas diminutas se unen en la fase líquida. (Vea una búsqueda de Matmatch para tamaño de partícula pequeño)

El truco está en eliminar el líquido conservando el espacio entre las partículas . Esos espacios se convierten en los poros del aerogel.

El tipo de aerogel más común está hecho de sílice por el proceso “Sol-Gel”:

1. Un "Sol" se hace mezclando pequeñas partículas sólidas con un solvente líquido.
2. El Sol se convierte en un "Gel" mediante la adición de un catalizador que une las partículas entre sí, lo que hace que la mezcla se solidifique.
3. El solvente líquido se elimina por secado, dejando solo el aerogel sólido.

El procesamiento de aerogeles es vital para crear su microestructura única. Sin los poros ultrapequeños que quedan de su fase de gel semilíquido , los aerogeles no tendrían densidades tan bajas o ser tan excelentes aislantes térmicos .

¿Cuáles son las aplicaciones de los aerogeles?

Los aerogeles no son un material específico, sino que son una forma de material que ha sido procesado para hacerlo extra poroso. Los aerogeles más comunes están hechos de sílice (dióxido de silicio); pero también ha habido aerogeles hechos de grafeno, óxido de hierro, polímeros y más .

Los aerogeles también aparecen en una variedad de formas incluidos ladrillos gruesos, láminas flexibles y revestimientos delgados . Los aerogeles se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones y están disponibles comercialmente para su uso como aislamiento. . Sin embargo, los investigadores han estado desarrollando otras aplicaciones tecnológicas para estos extraordinarios materiales.

Aislamiento de aerogel

La baja conductividad térmica y baja densidad de aerogeles los convierten en un excelente material aislante . Como beneficio adicional, los aerogeles son tan ligeros que apenas agregan peso a la estructura , lo que los hace perfectos para viajes espaciales porque cada kilogramo cuesta dinero para llevar al espacio. Los aerogeles también son excelentes aislantes que pueden usarse en capas delgadas donde se necesita flexibilidad , como en trajes espaciales.

Algunos aerogeles son translúcidos , lo que significa que pueden usarse en lugares donde los aislamientos tradicionales no podrían, como ventanas y paneles solares . Si se utilizan para lucernarios en edificios terrestres o las ventanas en un hábitat espacial futuro , los aerogeles transmiten luz pero bloquean la transferencia de calor .

Esto los hace ideales para hacer que las estructuras sean más fáciles de calentar y enfriar al tiempo que deja entrar más luz natural . Los aerogeles también se han utilizado como revestimientos en colectores de calor solar de última generación , donde el aerogel deja pasar la luz pero evita que escape el calor.

Capacidad de los aerogeles para detener el flujo de calor también lo hace útil como una forma de camuflaje , y los revestimientos de aerogel se han probado como una forma de ocultarse de las cámaras infrarrojas .

Adsorbedores y filtros

Los pequeños poros dentro de los aerogeles les otorga una superficie específica especialmente alta, lo que significa que una gran cantidad del material sólido está en contacto con su entorno . Cuando los aerogeles están hechos de materiales que atraen y se adhieren a ciertas moléculas o partículas, pueden usarse como filtros y adsorbentes que atrapan sustancias dentro de los poros. .

El gel de sílice es un excelente desecante y químicamente seguro para usar con alimentos.

Un pariente familiar de los adsorbedores de aerogel es gel de sílice , que se usa comúnmente como desecante para eliminar el agua del aire . La mayoría de las personas están familiarizadas con los paquetes de gel de sílice Se utiliza para mantener secos los alimentos y otros artículos, en sistemas de aire acondicionado y otras aplicaciones. Una vez que el gel de sílice se ha saturado con agua, se puede "recargar" calentándolo en un horno, que vaporiza el agua de la superficie de sus poros dejándolo seco y listo para usar nuevamente.

La cantidad de agua que se puede absorber aumenta con la superficie específica . Dado que los aerogeles tienen un área de superficie específica aún mayor que los geles de sílice tradicionales, los aerogeles ofrecen mejoras aún mayores en su capacidad para atrapar la humedad .

Aplicaciones de tecnología avanzada

La alta superficie específica de los aerogeles significa que tienen una cantidad especialmente grande de material en contacto con su entorno. Esto hace que los aerogeles sean útiles para una gran cantidad de procesos químicos y electroquímicos que se puede mejorar maximizando el área de contacto entre las soluciones y los sustratos sólidos.

Estos incluyen servir como catalizadores o sustratos de catalizadores para una variedad de procesos químicos industriales, así como electrodos en supercondensadores de próxima generación .

La NASA utilizó un aerogel para atrapar partículas de polvo espacial a bordo de la nave espacial Stardust. Las partículas se vaporizan al impactar con los sólidos y pasan a través de los gases, pero pueden quedar atrapadas en los aerogeles. La NASA también utilizó aerogel para el aislamiento térmico del Mars Rover.

Porque los aerogeles son un tipo de estructura que puede estar hecha de una amplia variedad de materiales , los investigadores están constantemente desarrollando nuevos aerogeles y nuevas formas de usarlos. A medida que nuevos materiales adicionales se conviertan en aerogeles, permitirán nuevos desarrollos tecnológicos como nuevos supercondensadores, recubrimientos antimicrobianos, almohadillas absorbentes de derrames de petróleo, implantes óseos y más.

Debido a su combinación única de baja conductividad térmica, baja densidad, alta área de superficie y translucidez, los aerogeles están evolucionando hacia una diversa gama de tecnologías de materiales de vanguardia .