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Aerogel: Cómo llegó a ser

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, impidiendo la transferencia de calor por convección.

rover de Marte

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

Además, la propiedad resistente al agua del aerogel se logra mediante modificación, transformando los grupos -OH polares en -OR no polares, lo que resulta en 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 comunes, como la gelatina que consumimos, que es una combinación de estados sólido y líquido. Samuel Kistler y su colega Charles Learned hicieron una apuesta sobre la razón por la cual la gelatina forma un gel. Mientras Charles creía que se debía a su naturaleza líquida, Samuel argumentaba que la clave era la presencia de una estructura sólida dentro del gel.

Para probar su punto, Samuel realizó experimentos para demostrar la presencia de una red sólida continua en el gel húmedo. El objetivo era eliminar el líquido del gel mientras se conservaba la estructura sólida, demostrando que el gel y su contenido líquido no estaban relacionados. Sin embargo, el desafío era que simplemente permitir que el líquido en el gel se evaporara haría que la estructura sólida se encogiera debido a las fuerzas de atracción entre las moléculas, resultando en el colapso del gel.

Samuel Kistler

Para superar esto, Samuel tuvo que reemplazar el líquido en el gel, y la única opción adecuada era el gas, ya que el gel ya contenía tanto el estado sólido como el líquido. Sin embargo, el gas normal no podía reemplazar el líquido en el gel. Samuel utilizó un enfoque novedoso: al presurizar y calentar el gel, hizo que el líquido superara su punto crítico, convirtiéndolo en un fluido supercrítico (sin distinción entre líquido y gas), eliminando la atracción intermolecular.

Samuel eligió silicato de sodio como materia prima, catalizado por ácido clorhídrico para facilitar la hidrólisis. El agua y el etanol sirvieron como disolventes en el intercambio, transformándolo en un alcogel. Luego, el alcogel se colocó en un entorno de alta temperatura y alta presión. Cuando el etanol alcanzó el estado de fluido supercrítico, el gel se despresurizó. Con la disminución de la presión, las moléculas de etanol se liberaron como gas. Una vez retirado de la fuente de calor y enfriado, el etanol en el 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 de Aerogeles

Aerogel de sílice

Sin duda innovadora, la investigación de Samuel enfrentó un estancamiento de más de 30 años debido a las condiciones de preparación difíciles y que requerían mucho tiempo. No fue hasta 1970 que la Universidad de Lyon, buscando un material poroso para almacenar oxígeno y combustible para cohetes, retomó los aerogeles, mejorando el método de Samuel.

El nuevo método reemplazó el silicato de sodio con tetrametoxisilano (TMOS) y el etanol con formaldehído. Esta modificación produjo alcogeles de aerogeles de sílice de mayor calidad y redujo significativamente el tiempo requerido para la preparación. Esta mejora marcó un paso significativo en la ciencia de los aerogeles.

Después de estas mejoras, más investigadores se unieron al campo de los aerogeles.

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

Esto representó un gran avance en seguridad, ya que el CO2 carece del peligro explosivo de los alcoholes. A medida que la investigación sobre aerogeles se profundizó, los físicos reconocieron que este material a nanoescala podía usarse para recolectar partículas de radiación Cherenkov difíciles de capturar, ya que luchan por atravesar la estructura compleja del aerogel, quedando finalmente atrapadas en su interior.

Además de la recolección de partículas, los aerogeles de sílice preparados por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA fueron enviados al espacio y encargados de recolectar partículas de polvo de cometas.

Dióxido de carbono líquido

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

En primer lugar, existen desafíos en la producción, y aunque los métodos de preparación se han mejorado en múltiples ocasiones, las condiciones supercríticas críticas siguen representando una barrera significativa.

En segundo lugar, la producción industrial de aerogeles enfrenta un desafío abrumador: el aerogel es muy frágil. Aunque tiene una fuerte capacidad de carga, su resistencia a la tracción es muy baja, lo que lo hace propenso a romperse con una fuerza leve. Por lo tanto, generalmente se requieren aditivos adicionales.

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¿Cómo se fabrica el aerogel?

La fabricación del aerogel consiste en reemplazar 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 de aislamiento industrial.