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El aerogel: cómo surgió

El aerogel: introducción y características

El aerogel es conocido como el material sólido más ligero del mundo, compuesto por un 97% de aire y un 3% de estructura sólida, con una densidad de solo 1,5 veces la del aire. Además de ser extremadamente ligero, el aerogel también posee excelentes capacidades de aislamiento térmico, principalmente debido al “efecto Knudsen”. Esto se debe a que el aerogel está compuesto mayormente por sílice y aire, donde la conductividad térmica de la sílice es moderada y el aire tiene una baja conductividad térmica.

el material sólido más ligero del mundo
numerosos poros a nanoescala

Además, el aerogel presenta numerosos poros a escala nanométrica que dificultan la difusión del aire a través del material e impiden la transferencia de calor por convección.

rover de Marte

Debido a su resistencia a las altas temperaturas, el aerogel se utiliza a menudo como aislamiento en entornos como los vehículos exploradores de Marte.

Además, la repelencia al agua del aerogel se consigue mediante modificación, transformando los grupos -OH polares en -OR no polares, lo que da lugar a un aerogel hidrofóbico.

Aerogel hidrofóbico
Samuel Kistler, inventor del aerogel

A pesar de parecer un producto de vanguardia de la tecnología moderna, el aerogel fue desarrollado por primera vez en la década de 1930 por el químico Samuel Kistler.

El nacimiento del primer aerogel

Las sustancias similares a geles son habituales, como la gelatina que consumimos, que es una combinación de los estados sólido y líquido. Samuel Kistler y su colega Charles Learned hicieron una apuesta sobre la razón por la que la gelatina forma un gel. Mientras que Charles creía que se debía a su naturaleza líquida, Samuel sostenía que la clave era la presencia de una estructura sólida dentro del gel.

Para demostrar su tesis, Samuel realizó experimentos con los que probar la presencia de una red sólida continua en el gel húmedo. El objetivo era eliminar el líquido del gel conservando la estructura sólida, demostrando así que el gel y su contenido líquido no guardaban relación. Sin embargo, el reto era que dejar simplemente que el líquido del gel se evaporara haría que la estructura sólida se contrajera debido a las fuerzas de atracción entre las moléculas, lo que provocaría el colapso del gel.

Samuel Kistler

Para superar este obstáculo, Samuel tuvo que sustituir el líquido del gel, y la única opción adecuada era el gas, ya que el gel contenía tanto el estado sólido como el líquido. Sin embargo, el gas normal no podía sustituir el líquido del gel. Samuel recurrió a un enfoque novedoso: presurizando y calentando el gel, hizo que el líquido superara su punto crítico y se convirtiera en un fluido supercrítico (sin distinción entre líquido y gas), eliminando así la atracción intermolecular.

Samuel eligió silicato de sodio como materia prima, catalizado por ácido clorhídrico para facilitar la hidrólisis. El agua y el etanol actuaron como disolventes en el intercambio, transformándolo en un alcogel. A continuación, el alcogel se colocó en un entorno de alta temperatura y alta presión. Cuando el etanol alcanzó el estado de fluido supercrítico, se despresurizó el gel. A medida que disminuía la presión, las moléculas de etanol se liberaron en forma de gas. Una vez retirado de la fuente de calor y enfriado, el etanol del gel se evaporó, dejando atrás la estructura sólida llena de gas: el primer aerogel.

Esta investigación se publicó en la revista Nature en 1931.

Mejoras en el método de preparación del aerogel

Aerogel de sílice

Sin duda alguna, la investigación de Samuel fue pionera, pero se estancó durante más de 30 años debido a unas condiciones de preparación difíciles y que consumían mucho tiempo. No fue hasta 1970 cuando la Universidad de Lyon, en busca de un material poroso para almacenar oxígeno y combustible para cohetes, volvió a retomar el aerogel y perfeccionó el método de Samuel.

El nuevo método sustituyó el silicato de sodio por tetrametoxisilano (TMOS) y el etanol por formaldehído. Esta modificación produjo alcogeles de sílice de mayor calidad y redujo significativamente el tiempo necesario para la preparación. Esta mejora supuso un paso importante en la ciencia del aerogel.

Tras estas mejoras, más investigadores se sumaron al campo de los aerogeles.

En 1983, el Grupo de Materiales de Microestructura del Laboratorio Berkeley descubrió que el compuesto altamente tóxico TMOS podía sustituirse por tetraetoxisilano (TEOS), que es más seguro. También descubrieron que, antes del secado supercrítico, el CO2 líquido podía sustituir el alcohol del gel sin dañar el aerogel.

Esto supuso un gran avance en materia de seguridad, ya que el CO2 carece del peligro explosivo de los alcoholes. A medida que se profundizó en la investigación sobre aerogeles, los físicos reconocieron que este material a nanoescala podía utilizarse para captar partículas de radiación de Cherenkov difíciles de detectar, ya que estas apenas logran atravesar la compleja estructura del aerogel y acaban quedando atrapadas en su interior.

Además de la recogida de partículas, los aerogeles de sílice preparados por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA se enviaron al espacio con la misión de recoger partículas de polvo de cometas.

Dióxido de carbono líquido

Dada esta visión integral de las características del aerogel y de unos métodos de preparación en continua mejora, está claro que el aerogel es un material excepcional. Sin embargo, a pesar de sus virtudes, ¿por qué no se ha generalizado su uso en la vida cotidiana?

En primer lugar, existen dificultades en la producción y, aunque los métodos de preparación se han mejorado en múltiples ocasiones, las condiciones supercríticas siguen constituyendo una barrera importante.

En segundo lugar, la producción industrial de aerogeles se enfrenta a un reto considerable: el aerogel es muy frágil. Aunque posee una gran capacidad de carga, su resistencia a la tracción es muy baja, por lo que se rompe con facilidad ante una fuerza mínima. Por ello, normalmente se requieren aditivos adicionales.

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¿Cómo se fabrica el aerogel?

La fabricación del aerogel consiste en sustituir el líquido de un gel húmedo por gas sin que se colapse la red. Históricamente, esto se lograba mediante secado supercrítico; ahora, el secado a presión ambiente y los sustratos de fibra flexible lo convierten en una manta aislante de aerogel industrial.

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