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Aérogel : Comment il a vu le jour

Aérogel : Introduction et caractéristiques

L’aérogel est connu comme le matériau solide le plus léger au monde, composé de 97% d’air et de 3% de structure solide, avec une densité seulement 1,5 fois supérieure à celle de l’air. Outre son extrême légèreté, l’aérogel possède également d’excellentes capacités d’isolation thermique, principalement grâce à l“” effet Knudsen ». En effet, l’aérogel est principalement composé de silice et d’air, où la conductivité thermique de la silice est modérée et celle de l’air est faible.

le matériau solide le plus léger au monde
de nombreux pores à l'échelle nanométrique

De plus, l’aérogel présente de nombreux pores à l’échelle nanométrique qui entravent la diffusion de l’air à travers le matériau, limitant ainsi le transfert de chaleur par convection.

rover martien

Grâce à sa résistance aux températures élevées, l’aérogel est souvent utilisé dans des environnements tels que les rovers martiens pour l’isolation.

Par ailleurs, la propriété hydrofuge de l’aérogel est obtenue par modification, transformant les groupes -OH polaires en groupes -OR non polaires, ce qui donne un aérogel hydrophobe.

Aérogel hydrophobe
Samuel Kistler, inventeur de l'aérogel

Bien qu’il semble être un produit de pointe de la technologie moderne, l’aérogel a été développé pour la première fois dans les années 1930 par le chimiste Samuel Kistler.

La naissance du premier aérogel

Les substances gélatineuses sont courantes, comme la gélatine que nous consommons, qui est une combinaison d’états solide et liquide. Samuel Kistler et son collègue Charles Learned ont fait un pari sur la raison pour laquelle la gélatine forme un gel. Alors que Charles croyait que cela était dû à sa nature liquide, Samuel affirmait que la clé résidait dans la présence d’une structure solide au sein du gel.

Pour prouver son point de vue, Samuel a mené des expériences afin de démontrer la présence d’un réseau solide continu dans le gel humide. L’objectif était de retirer le liquide du gel tout en conservant la structure solide, prouvant ainsi que le gel et son contenu liquide étaient sans rapport. Cependant, le défi était que laisser simplement le liquide du gel s’évaporer provoquerait un rétrécissement de la structure solide en raison des forces d’attraction entre les molécules, entraînant l’effondrement du gel.

Samuel Kistler

Pour surmonter cela, Samuel a dû remplacer le liquide dans le gel, et la seule option appropriée était le gaz, car le gel contenait déjà à la fois des états solide et liquide. Cependant, un gaz ordinaire ne pouvait pas remplacer le liquide dans le gel. Samuel a utilisé une approche novatrice : en pressurisant et en chauffant le gel, il a fait dépasser au liquide son point critique, le transformant en fluide supercritique (sans distinction entre liquide et gaz), éliminant ainsi l'attraction intermoléculaire.

Samuel a choisi le silicate de sodium comme matière première, catalysé par de l'acide chlorhydrique pour faciliter l'hydrolyse. L'eau et l'éthanol ont servi de solvants dans l'échange, le transformant en alcogel. L'alcogel a ensuite été placé dans un environnement à haute température et haute pression. Lorsque l'éthanol a atteint le statut de fluide supercritique, le gel a été dépressurisé. Avec la diminution de la pression, les molécules d'éthanol ont été libérées sous forme de gaz. Une fois retiré de la source de chaleur et refroidi, l'éthanol dans le gel s'est évaporé, laissant derrière lui la structure solide remplie de gaz – le premier aérogel.

Cette recherche a été publiée dans la revue Nature en 1931.

Améliorations de la méthode de préparation des aérogels

Aérogel de silice

Sans aucun doute révolutionnaire, la recherche de Samuel a stagné pendant plus de 30 ans en raison de conditions de préparation difficiles et chronophages. Ce n'est qu'en 1970 que l'Université de Lyon, cherchant un matériau poreux pour stocker de l'oxygène et du carburant de fusée, a revisité l'aérogel, améliorant la méthode de Samuel.

La nouvelle méthode a remplacé le silicate de sodium par du tétraméthoxysilane (TMOS) et l'éthanol par du formaldéhyde. Cette modification a produit des alcogels de silice de meilleure qualité et a considérablement réduit le temps nécessaire à la préparation. Cette amélioration a marqué un pas en avant significatif dans la science des aérogels.

Après ces améliorations, davantage de chercheurs ont rejoint le domaine des aérogels.

En 1983, le groupe des matériaux microstructurés du Berkeley Lab a découvert que le composé hautement toxique TMOS pouvait être remplacé par le tétraéthoxysilane (TEOS), plus sûr. Ils ont également découvert que, avant le séchage supercritique, le CO2 liquide pouvait remplacer l'alcool dans le gel sans endommager l'aérogel.

Cela représentait une avancée majeure en matière de sécurité, car le CO2 ne présente pas le danger explosif des alcools. Alors que la recherche sur les aérogels s'approfondissait, les physiciens ont reconnu que ce matériau nanométrique pouvait être utilisé pour collecter des particules de rayonnement Cherenkov difficiles à capturer, car elles peinent à traverser la structure complexe de l'aérogel, finissant par être piégées à l'intérieur.

En plus de la collecte de particules, des aérogels de silice préparés par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA ont été envoyés dans l'espace et chargés de collecter des particules de poussière de comète.

Dioxyde de carbone liquide

Compte tenu de cet aperçu complet des caractéristiques de l'aérogel et de ses méthodes de préparation en constante amélioration, il est clair que l'aérogel est un matériau exceptionnel. Cependant, malgré ses mérites, pourquoi n'est-il pas devenu largement utilisé dans la vie quotidienne ?

Premièrement, il existe des défis dans la production, et même si les méthodes de préparation ont été améliorées à plusieurs reprises, les conditions supercritiques critiques constituent toujours un obstacle majeur.

Deuxièmement, la production industrielle des aérogels est confrontée à un défi redoutable : l'aérogel est très fragile. Bien qu'il ait une forte capacité de charge, sa résistance à la traction est très faible, ce qui le rend susceptible de se briser sous une légère force. Par conséquent, des additifs supplémentaires sont généralement nécessaires.

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Comment l'aérogel est-il fabriqué ?

La fabrication de l'aérogel consiste à remplacer le liquide d'un gel humide par du gaz sans effondrer le réseau. Historiquement, cela se faisait par séchage supercritique ; aujourd'hui, le séchage à pression ambiante et les substrats en fibres flexibles en font une couverture isolante industrielle.