En 1931, Kistler separó el líquido del sólido mediante una técnica de secado supercrítico alcohólico y evitó que la estructura del gas se encogiera y colapsara, dando lugar al aerogel en el mundo.
Definición de aerogel
El aerogel es un material sólido amorfo nanoporoso liviano con micropartículas a escala nanométrica agregadas entre sí para formar una estructura de red porosa a escala nanométrica y rellena con una gran cantidad de medios de dispersión gaseosa en el esqueleto de la red.
Los aerogeles no son solo un material funcional, sino también un nuevo estado de la materia. El aerogel difiere fundamentalmente de otros estados de la materia en muchas propiedades. Tiene un tamaño y una forma fijos, como la materia sólida, pero su densidad aparente puede variar desde un máximo de 1 g/cm³ hasta 0.001 g/cm³ (menor que la densidad del aire); a su vez, posee una estructura porosa similar a la de una esponja, con múltiples propiedades microscópicas (esqueleto a nanoescala), macroscópicas (materia condensada) y mesoscópicas (estructura multinivel y fractal), lo que le confiere a los aerogeles muchas propiedades únicas. Presenta una conductividad térmica muy baja, un módulo de elasticidad muy bajo, una tasa de fonones muy baja, un índice de refracción muy bajo, una constante dieléctrica baja, una velocidad del sonido muy baja, una superficie específica elevada y una distribución muy amplia de la densidad y el índice de refracción, entre otras.
Clasificación de los aerogeles
Existe una amplia gama de aerogeles, que abarca prácticamente todos los sistemas materiales. Generalmente, según su composición química, se dividen en aerogeles orgánicos, inorgánicos y compuestos. Los aerogeles también se clasifican en sistemas de silicio, carbono, azufre, óxido metálico y metálicos según sus componentes principales.
El estado y el papel de los aerogeles
Los científicos dicen que los aerogeles cambiarán el mundo.
El aerogel fue incluido como uno de los 10 temas de mayor actualidad en ciencia y tecnología en el número 250 de la revista estadounidense Science. El 20 de agosto de 2007, The Times informó que el aerogel es el sólido más ligero del mundo, capaz de soportar la potencia explosiva de 1 kg de dinamita y proteger del calor de un soplete por encima de los 1300 °C. Los científicos están explorando el uso del aerogel en todo tipo de productos, desde trajes espaciales superaislados hasta supercondensadores, catalizadores y la próxima generación de raquetas de tenis. El aerogel promete rivalizar con generaciones de materiales legendarios como la resina fenólica de la década de 1930, la fibra de carbono de la década de 1980 y la silicona de la década de 1990.
El aerogel ha sido incluido en el Libro Guinness de los Récords Mundiales varias veces como el sólido más ligero del mundo. Además, presenta una conductividad térmica y un índice de refracción muy bajos, y es 39 veces más aislante que las mejores fibras de vidrio. Se ha utilizado para aislar térmicamente la estación espacial rusa Mir y el rover estadounidense Mars Pathfinder, y ya ha desempeñado un papel fundamental en la industria aeroespacial.
Historia del desarrollo del aerogel
1931, Kistler preparó por primera vez los aerogeles en la Universidad de Stanford, EE. UU.
En 1985, el primer simposio sobre aerogeles, conocido como ISA, fue organizado por el Instituto de Física de la Universidad de Würzburg, Alemania.
1993, los aerogeles se utilizan para aislar trajes espaciales, naves espaciales y transbordadores espaciales.
En 2002, se fundó Aspen Aerogel, una empresa de la NASA, para desarrollar y producir aerogeles.
2004, investigación sobre aerogel realizada por institutos de investigación nacionales chinos.
En 2006, las empresas nacionales de aerogel en China comenzaron a desarrollar aerogeles.
2017, China promulgó la norma GB/T 34336-201, Productos de aislamiento compuestos de aerogel no poroso.
En 2021, el Consejo de Estado emitió el “Plan de acción para alcanzar el pico de carbono en 2023” sobre la aceleración de la investigación y el desarrollo de fibra de carbono, aerogel, acero especial y otros materiales básicos.
Las propiedades clave de los aerogeles
(1) Ultraligero. El aerogel es el sólido menos denso del mundo, con una densidad mínima de un sexto de la masa del aire. El rango de variación de densidad es generalmente de 0.001 a 1 g/cm³.
(2) Alta porosidad y alta superficie específica. La porosidad es del 80% al 99.9%, la superficie específica es de 200 a 1000 m²/g y el tamaño típico de los poros es de 2 a 1 nm.
(3) Excelente aislamiento térmico. La delgada estructura de nanorredes del aerogel limita eficazmente la propagación de la excitación térmica local, y su conductividad térmica en estado sólido es de 2 a 3 órdenes de magnitud inferior a la del material vítreo correspondiente.
El principio del aislamiento térmico del aerogel
Transferencia térmica reducidaEl número infinito de nanopartículas en el aerogel forma un esqueleto de malla, y el calor solo puede fluir a través de un número infinito de nanopartículas. El flujo de calor solo puede conducirse a través de un número infinito de nanopartículas, lo que resulta en una trayectoria de transferencia de calor casi infinita en el sólido. La transferencia de calor en el sólido se reduce al nivel más bajo posible.
Inhibición de la convección térmica : El tamaño medio de los poros de los aerogeles es de 20-40 nm, menor que el alcance libre medio de las moléculas de gas de 69 nm, y las moléculas de gas en los poros pierden su capacidad de moverse libremente, lo que hace que la convección sea casi imposible.
Reducción de la radiación térmica : Las paredes de los poros formadas por las nanopartículas en los aerogeles actúan como escudos infrarrojos, y el número infinito de estos escudos reduce considerablemente la radiación térmica.
(4) Catálisis. El pequeño tamaño de partícula, la alta superficie específica y la baja densidad del aerogel hacen que la actividad y la selectividad de los catalizadores de aerogel sean mucho mayores que las de los catalizadores convencionales. Además, los componentes activos se dispersan de forma muy uniforme en el soporte y presentan una excelente estabilidad térmica, lo que reduce eficazmente la aparición de reacciones secundarias.
(5) Aislamiento acústico. Las propiedades de baja velocidad del sonido de los aerogeles los convierten en un material ideal para el retardo acústico o el aislamiento acústico a altas temperaturas. El rango variable de impedancia acústica del aerogel es amplio [103⁻¹ ~ 107⁻¹ kg/(㎡-s)], lo que lo convierte en un material de acoplamiento de resistencia acústica ideal para detectores ultrasónicos. La resistencia acústica de las cerámicas piezoeléctricas utilizadas para generadores y detectores ultrasónicos es de 1.5 × 107⁻¹ kg/(㎡-s), mientras que la resistencia acústica del aire es de tan solo 400 kg/(㎡-s). El uso de aerogel de silicio con un espesor de 1/4 de la longitud de onda y una densidad de aproximadamente 0.3 g/cm³ como material de acoplamiento de resistencia acústica entre las cerámicas piezoeléctricas y el aire puede aumentar la intensidad del sonido en 30 dB, mejorar la eficiencia de transmisión de las ondas acústicas y reducir la relación señal-ruido en aplicaciones de dispositivos.
(6) Rendimiento de filtración. Los aerogeles nanoestructurados también pueden utilizarse como un nuevo tipo de material de filtración de gases de alta eficiencia. Debido a su superficie específica excepcionalmente grande, los científicos los denominan "superesponjas" y son ideales para adsorber contaminantes en el agua, absorbiendo plomo y mercurio, lo que los convierte en un material excelente para afrontar desastres ecológicos.
(7) Propiedades ópticas. El aerogel de SiO₂ puro es transparente e incoloro, y su índice de refracción (1.006~1.06) es muy similar al del aire. Esto significa que prácticamente no pierde reflexión de la luz incidente y puede transmitir eficazmente la luz solar. Por lo tanto, puede utilizarse para fabricar vidrio aislante y de reducción de ruido.
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