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Aerogel: Como Surgiu

Aerogel: Introdução e Características

O aerogel é conhecido como o material sólido mais leve do mundo, composto por 97% de ar e 3% de estrutura sólida, com uma densidade apenas 1,5 vezes maior que a do ar. Além de ser extremamente leve, o aerogel também possui excelentes capacidades de isolamento térmico, principalmente devido ao “efeito Knudsen”. Como o aerogel é majoritariamente composto por sílica e ar, onde a condutividade térmica da sílica é moderada, e o ar tem baixa condutividade térmica.

o material sólido mais leve do mundo
inúmeros poros em escala nanométrica

Além disso, o aerogel apresenta inúmeros poros em escala nanométrica que dificultam a difusão do ar através do material, impedindo a transferência de calor por convecção.

rover de Marte

Devido à sua resistência a altas temperaturas, o aerogel é frequentemente usado em ambientes como rovers de Marte para isolamento.

Além disso, a propriedade resistente à água do aerogel é alcançada por meio de modificação, transformando grupos -OH polares em -OR não polares, resultando em um aerogel hidrofóbico.

Aerogel hidrofóbico
Samuel Kistler, inventor do aerogel

Apesar de parecer um produto de ponta da tecnologia moderna, o aerogel foi desenvolvido pela primeira vez na década de 1930 pelo químico Samuel Kistler.

O Nascimento do Primeiro Aerogel

Substâncias semelhantes a géis são comuns, como a gelatina que consumimos, que é uma combinação de estados sólido e líquido. Samuel Kistler e seu colega Charles Learned fizeram uma aposta sobre o motivo de a gelatina formar um gel. Enquanto Charles acreditava que era devido à sua natureza líquida, Samuel argumentava que a chave era a presença de uma estrutura sólida dentro do gel.

Para provar seu ponto, Samuel conduziu experimentos para demonstrar a presença de uma rede sólida contínua no gel úmido. O objetivo era remover o líquido do gel enquanto mantinha a estrutura sólida, provando que o gel e seu conteúdo líquido não estavam relacionados. No entanto, o desafio era que simplesmente permitir que o líquido no gel evaporasse faria com que a estrutura sólida encolhesse devido às forças atrativas entre as moléculas, resultando no colapso do gel.

Samuel Kistler

Para superar isso, Samuel teve que substituir o líquido no gel, e a única opção adequada era o gás, já que o gel já continha tanto o estado sólido quanto o líquido. No entanto, o gás comum não conseguia substituir o líquido no gel. Samuel usou uma abordagem inovadora: ao pressurizar e aquecer o gel, ele fez o líquido ultrapassar seu ponto crítico, transformando-o em um fluido supercrítico (sem distinção entre líquido e gás), eliminando a atração intermolecular.

Samuel escolheu o silicato de sódio como matéria-prima, catalisado por ácido clorídrico para facilitar a hidrólise. Água e etanol serviram como solventes na troca, transformando-o em um alcogel. O alcogel foi então colocado em um ambiente de alta temperatura e alta pressão. Quando o etanol atingiu o estado de fluido supercrítico, o gel foi despressurizado. Com a diminuição da pressão, as moléculas de etanol foram liberadas como gás. Uma vez removido da fonte de calor e resfriado, o etanol no gel evaporou, deixando para trás a estrutura sólida preenchida com gás – o primeiro aerogel.

Esta pesquisa foi publicada na revista Nature em 1931.

Melhorias no Método de Preparação de Aerogel

Aerogel de sílica

Sem dúvida inovadora, a pesquisa de Samuel enfrentou estagnação por mais de 30 anos devido às condições de preparação desafiadoras e demoradas. Foi somente em 1970 que a Universidade de Lyon, buscando um material poroso para armazenar oxigênio e combustível de foguete, revisitou o aerogel, aprimorando o método de Samuel.

O novo método substituiu o silicato de sódio por tetrametoxissilano (TMOS) e o etanol por formaldeído. Essa modificação produziu alcogéis de aerogéis de sílica de maior qualidade e reduziu significativamente o tempo necessário para a preparação. Essa melhoria marcou um passo significativo na ciência dos aerogéis.

Após essas melhorias, mais pesquisadores se juntaram ao campo dos aerogéis.

Em 1983, o Grupo de Materiais de Microestrutura do Berkeley Lab descobriu que o composto altamente tóxico TMOS poderia ser substituído pelo tetraetoxissilano (TEOS), mais seguro. Eles também descobriram que, antes da secagem supercrítica, o CO2 líquido poderia substituir o álcool no gel sem danificar o aerogel.

Isso representou um grande avanço em segurança, pois o CO2 não possui o perigo explosivo dos álcoois. À medida que a pesquisa sobre aerogéis se aprofundava, os físicos reconheceram que esse material em nanoescala poderia ser usado para coletar partículas de radiação Cherenkov difíceis de capturar, pois elas têm dificuldade em atravessar a estrutura complexa do aerogel, acabando por ficar presas dentro dele.

Além da coleta de partículas, aerogéis de sílica preparados pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA foram enviados ao espaço e encarregados de coletar partículas de poeira de cometas.

Dióxido de carbono líquido

Dada esta visão geral abrangente das características do aerogel e dos métodos de preparação em constante melhoria, fica claro que o aerogel é um material excepcional. No entanto, apesar de seus méritos, por que ele ainda não se tornou amplamente utilizado na vida cotidiana?

Em primeiro lugar, há desafios na produção, e mesmo que os métodos de preparação tenham sido aprimorados várias vezes, as condições supercríticas críticas ainda representam uma barreira significativa.

Em segundo lugar, a produção industrial de aerogéis enfrenta um desafio assustador – o aerogel é muito frágil. Embora tenha uma forte capacidade de suportar carga, sua resistência à tração é muito baixa, tornando-o propenso a quebrar com um leve esforço. Portanto, geralmente são necessários aditivos adicionais.

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Como o Aerogel é Feito?

Como o aerogel é feito se resume a substituir o líquido em um gel úmido por gás sem colapsar a rede. Historicamente, isso usava secagem supercrítica; agora, a secagem à pressão ambiente e substratos de fibra flexível o transformam em um manto de isolamento industrial.