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Aerogel: Come è nato

Aerogel: Introduzione e caratteristiche

L'aerogel è noto come il materiale solido più leggero al mondo, composto per il 97% da aria e per il 3% da una struttura solida, con una densità pari solo a 1,5 volte quella dell'aria. Oltre a essere estremamente leggero, l'aerogel possiede anche eccellenti capacità di isolamento termico, dovute principalmente all“”effetto Knudsen". Poiché l'aerogel è composto principalmente da silice e aria, dove la conducibilità termica della silice è moderata e l'aria ha una bassa conducibilità termica.

il materiale solido più leggero del mondo
numerosi pori su scala nanometrica

Inoltre, l'aerogel presenta numerosi pori su scala nanometrica che ostacolano la diffusione dell'aria attraverso il materiale, impedendo il trasferimento di calore per convezione.

rover marziano

Grazie alla sua resistenza alle alte temperature, l'aerogel è spesso utilizzato in ambienti come i rover su Marte per l'isolamento.

Inoltre, la proprietà idrorepellente dell'aerogel è ottenuta tramite modifica, trasformando i gruppi polari -OH in gruppi non polari -OR, dando origine a un aerogel idrofobico.

Aerogel idrofobico
Samuel Kistler, inventore dell'aerogel

Nonostante sembri un prodotto all'avanguardia della tecnologia moderna, l'aerogel fu sviluppato per la prima volta negli anni '30 dal chimico Samuel Kistler.

La nascita del primo aerogel

Le sostanze gelatinose sono comuni, come la gelatina che consumiamo, che è una combinazione di stati solido e liquido. Samuel Kistler e il suo collega Charles Learned fecero una scommessa sul motivo per cui la gelatina forma un gel. Mentre Charles credeva che fosse dovuto alla sua natura liquida, Samuel sosteneva che la chiave fosse la presenza di una struttura solida all'interno del gel.

Per dimostrare il suo punto di vista, Samuel condusse esperimenti per dimostrare la presenza di una rete solida continua nel gel umido. L'obiettivo era rimuovere il liquido dal gel mantenendo la struttura solida, dimostrando che il gel e il suo contenuto liquido non erano correlati. Tuttavia, la sfida era che semplicemente lasciando evaporare il liquido nel gel, la struttura solida si sarebbe ridotta a causa delle forze attrattive tra le molecole, provocando il collasso del gel.

Samuel Kistler

Per superare questo ostacolo, Samuel dovette sostituire il liquido nel gel, e l'unica opzione adatta era il gas, poiché il gel conteneva già sia lo stato solido che quello liquido. Tuttavia, il gas normale non poteva sostituire il liquido nel gel. Samuel utilizzò un approccio innovativo: pressurizzando e riscaldando il gel, fece superare al liquido il suo punto critico, trasformandolo in un fluido supercritico (senza distinzione tra liquido e gas), eliminando l'attrazione intermolecolare.

Samuel scelse il silicato di sodio come materia prima, catalizzato da acido cloridrico per facilitare l'idrolisi. Acqua ed etanolo fungevano da solventi nello scambio, trasformandolo in un alcogel. L'alcogel fu poi posto in un ambiente ad alta temperatura e alta pressione. Quando l'etanolo raggiunse lo stato di fluido supercritico, il gel fu depressurizzato. Con la diminuzione della pressione, le molecole di etanolo furono rilasciate come gas. Una volta rimosso dalla fonte di calore e raffreddato, l'etanolo nel gel evaporò, lasciando la struttura solida piena di gas – il primo aerogel.

Questa ricerca fu pubblicata sulla rivista Nature nel 1931.

Miglioramenti al Metodo di Preparazione dell'Aerogel

Aerogel di silice

Indubbiamente rivoluzionaria, la ricerca di Samuel subì una stagnazione per oltre 30 anni a causa delle condizioni di preparazione difficili e dispendiose in termini di tempo. Fu solo nel 1970 che l'Università di Lione, alla ricerca di un materiale poroso per immagazzinare ossigeno e carburante per razzi, riscoprì l'aerogel, migliorando il metodo di Samuel.

Il nuovo metodo sostituì il silicato di sodio con tetrametossisilano (TMOS) e l'etanolo con formaldeide. Questa modifica produsse alcogel di silice di qualità superiore e ridusse significativamente il tempo necessario per la preparazione. Questo miglioramento rappresentò un passo avanti significativo nella scienza degli aerogel.

Dopo questi miglioramenti, più ricercatori si unirono al campo degli aerogel.

Nel 1983, il Gruppo sui Materiali a Microstruttura del Berkeley Lab scoprì che il composto altamente tossico TMOS poteva essere sostituito dal più sicuro tetraetossisilano (TEOS). Scoprirono anche che, prima dell'essiccazione supercritica, la CO2 liquida poteva sostituire l'alcol nel gel senza danneggiare l'aerogel.

Questo rappresentò un importante progresso in termini di sicurezza, poiché la CO2 non presenta il pericolo di esplosione degli alcoli. Con l'approfondirsi della ricerca sugli aerogel, i fisici riconobbero che questo materiale su scala nanometrica poteva essere utilizzato per raccogliere particelle di radiazione Cherenkov difficili da catturare, poiché faticano ad attraversare la complessa struttura dell'aerogel, rimanendo infine intrappolate al suo interno.

Oltre alla raccolta di particelle, gli aerogel di silice preparati dal Jet Propulsion Laboratory della NASA furono inviati nello spazio con il compito di raccogliere particelle di polvere cometaria.

Anidride carbonica liquida

Data questa panoramica completa delle caratteristiche dell'aerogel e dei suoi metodi di preparazione in continuo miglioramento, è chiaro che l'aerogel è un materiale eccezionale. Tuttavia, nonostante i suoi pregi, perché non è diventato ampiamente utilizzato nella vita quotidiana?

In primo luogo, ci sono sfide nella produzione, e anche se i metodi di preparazione sono stati migliorati più volte, le condizioni critiche di supercriticità rappresentano ancora una barriera significativa.

In secondo luogo, la produzione industriale degli aerogel affronta una sfida scoraggiante: l'aerogel è molto fragile. Sebbene abbia una forte capacità di carico, la sua resistenza alla trazione è molto bassa, rendendolo incline a rompersi con una leggera forza. Pertanto, sono tipicamente necessari additivi aggiuntivi.

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Come si produce l'aerogel?

Come si produce l'aerogel si riduce a sostituire il liquido in un gel umido con del gas senza far collassare la rete. Storicamente si utilizzava l'essiccazione supercritica; oggi l'essiccazione a pressione ambiente e i substrati in fibra flessibile lo trasformano in una coperta isolante industriale.