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Faixa de apresentação da unidade de produção de aerogel da Guangzhou Anchor Technology

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 nanométricos

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

veículo explorador de Marte

Devido à sua resistência a altas temperaturas, o aerogel é frequentemente utilizado em ambientes como os veículos exploradores de Marte, para fins de isolamento.

Além disso, a propriedade de repelência à água do aerogel é obtida através de modificação, transformando grupos -OH polares em -OR não polares, o que resulta num aerogel hidrofóbico.

Aerogel hidrofóbico
Samuel Kistler, inventor do aerogel

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

O Nascimento do Primeiro Aerogel

As substâncias semelhantes a gel são comuns, como a gelatina que consumimos, que é uma combinação dos estados sólido e líquido. Samuel Kistler e o seu colega Charles Learned fizeram uma aposta sobre a razão pela qual a gelatina forma um gel. Enquanto Charles acreditava que se devia à sua natureza líquida, Samuel defendia que a chave era a presença de uma estrutura sólida no interior do gel.

Para provar o seu ponto de vista, Samuel realizou experiências para demonstrar a presença de uma rede sólida contínua no gel húmido. O objetivo era remover o líquido do gel mantendo a estrutura sólida, provando que o gel e o seu teor de líquido não estavam relacionados. No entanto, o desafio era que deixar simplesmente evaporar o líquido do gel faria com que a estrutura sólida encolhesse devido às forças atrativas entre as moléculas, resultando no colapso do gel.

Samuel Kistler

Para superar este obstáculo, Samuel teve de substituir o líquido do gel, e a única opção adequada era o gás, uma vez que o gel já continha tanto o estado sólido como o líquido. No entanto, o gás comum não conseguia substituir o líquido do gel. Samuel recorreu a uma abordagem inovadora: ao pressurizar e aquecer o gel, fez com que o líquido ultrapassasse o seu ponto crítico, transformando-o num 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. A água e o etanol serviram de solventes na troca, transformando-o num alcogel. O alcogel foi então colocado num 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 libertadas sob a forma de gás. Uma vez retirado da fonte de calor e arrefecido, o etanol no gel evaporou, deixando para trás a estrutura sólida preenchida com gás – o primeiro aerogel.

Esta investigação foi publicada na revista Nature em 1931.

Melhorias no Método de Preparação do Aerogel

Aerogel de sílica

Sem dúvida inovadora, a investigação de Samuel enfrentou um período de estagnação superior a 30 anos devido a condições de preparação exigentes e morosas. Só em 1970 é que a Universidade de Lyon, à procura de um material poroso para armazenar oxigénio e combustível para foguetões, voltou a estudar o aerogel, aperfeiçoando o método de Samuel.

O novo método substituiu o silicato de sódio por tetrametoxissilano (TMOS) e o etanol por formaldeído. Esta modificação produziu alcogéis de aerogel de sílica de maior qualidade e reduziu significativamente o tempo necessário à preparação. Esta melhoria representou um passo importante na ciência dos aerogéis.

Após estas melhorias, mais investigadores se juntaram ao domínio dos aerogéis.

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

Isto representou um importante avanço em termos de segurança, uma vez que o CO2 não tem o perigo explosivo dos álcoois. À medida que a investigação sobre aerogéis se aprofundava, os físicos perceberam que este material à escala nanométrica poderia ser utilizado para captar partículas de radiação Cherenkov difíceis de capturar, dado que têm dificuldade em atravessar a estrutura complexa do aerogel, acabando por ficar retidas no seu interior.

Além da recolha de partículas, os aerogéis de sílica preparados pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA foram enviados para o espaço e incumbidos de recolher partículas de poeira de cometas.

Dióxido de carbono líquido

Tendo em conta esta visão geral abrangente das características do aerogel e dos métodos de preparação em constante aperfeiçoamento, é evidente que o aerogel é um material excecional. No entanto, apesar das suas virtudes, porque razão ainda não se tornou amplamente utilizado no dia a dia?

Em primeiro lugar, existem desafios na produção e, embora os métodos de preparação tenham sido aperfeiçoados várias vezes, as condições supercríticas continuam a constituir uma barreira significativa.

Em segundo lugar, a produção industrial de aerogel enfrenta um desafio considerável – o aerogel é muito frágil. Embora tenha uma elevada capacidade de suporte de carga, a sua resistência à tração é muito baixa, o que o torna suscetível de quebrar com uma ligeira força. Por conseguinte, são geralmente necessários aditivos adicionais.

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Como é feito o aerogel?

A forma como o aerogel é feito resume-se a substituir o líquido de um gel húmido por gás sem colapsar a rede. Historicamente, recorria-se à secagem supercrítica; atualmente, a secagem à pressão ambiente e os substratos de fibra flexível transformam-no numa manta de isolamento de aerogel industrial.

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