Aerogel ¿Qué es? Usos y Aplicaciones

¿Qué es el Aerogel?

El aerogel o el humo helado es un material coloidal similar al gel, en el cual el componente líquido es cambiado por un gas, obteniendo como resultado un sólido de muy baja densidad (3 mg/cm3 ó 3 kg/m3) y altamente poroso, con ciertas propiedades muy sorprendentes como una enorme capacidad de aislante térmico.

Este material está generalmente compuesto por un 90,5% a un 99,8% de aire, es mil veces menos denso que el vidrio y unas tres veces más denso que el aire. Familiarmente es denominado humo helado, humo sólido o humo azul debido a su naturaleza semitransparente, sin embargo, tiene al tacto una consistencia similar a la espuma de poliestireno.

Posee un índice de refracción de 1,0, muy bajo para un sólido. La velocidad del sonido a través de él es muy baja, 100 metros/segundo.

¿Cómo se descubrió el Aerogel?

Samuel S. Kistler, en 1931, hizo una apuesta con su colega Charles Learned, sobre si era posible o no reemplazar el líquido de una gelatina sin afectar la estructura solida de la misma. Al evaporar el agua de la gelatina las moléculas se atraerán unas a otras, haciendo que la estructura solida se encoja desde adentro; así que tenía que probar algo diferente. Samuel S. Kistler, resolvió el problema de la siguiente manera.

Se dio cuenta que podía reemplazar el líquido de la gelatina por otro, y utilizo alcohol. Luego tomo la gelatina y la colocó en un recipiente de alta presión llamado Autoclave; al calentarla al punto crítico del líquido, transformara ese líquido en semi-líquido y semi-gaseoso llamado líquido supercrítico. Lo que hace que ya no haya distinción entre líquido y gaseoso y hace que las moléculas ya no se junten unas con otras y cuando se despresuriza el recipiente esa estructura queda intacta con la diferencia que en dónde había poros con líquido ahora hay gas. A esa estructura sólida fue a lo que llamo aerogel.

Qué es el aerogel

Podemos decir que Samuel S. Kistler ganó esa apuesta.

Como ocurre a veces, el resultado de un experimento que solo tenia como fin el desafío entre dos científicos dio como resultado una sustancia maravillosa «el aerogel».

Propiedades del Aerogel

  • El material de menor densidad (más ligero), por lo general una 15 veces más pesado que el aire, aunque algunos pueden llegar a solo 3 veces más.
  • Gran aislante térmico y acústico. Es capaz de proteger 39 veces más que la mejor fibra de vidrio. De hecho su uso industrial más difundido es el empleo como aislante térmico en las ventanas de los edificios para evitar la pérdida de calor o frío.
  • Gran resistencia a altas y bajas temperaturas. Puede colocarse para proteger incluso de las llamas.
  • Bajo índice de refracción, el más bajo para un sólido. Esta propiedad hace que no se distorsionen las cosas al verlas a través del aerogel.
  • La velocidad del sonido a través de él es muy baja, 100 m/s.
  • Ultra resistente. No debemos confundirnos con su apariencia y su fragilidad. Este material es capaz de soportar mil veces su propio peso, pero ojo un pequeño golpe lo rompería ya que es muy frágil.
  • El aerogel de tipo translúcido, permite la entrada de la radiación solar pero impide el escape de calor, como en el caso de los cristales.
  • Gran capacidad de absorber líquidos, ya que comparado con los materiales actuales, que solo pueden absorber 10 veces su propio peso, este material puede absorber 900 veces su propio peso. Puede ser un material muy bueno para el tratamiento de los vertidos de petróleo en el mar.
  • La peor propiedad del aerogel es que es un material muy frágil, es decir se rompe al darle un golpe muy fácilmente. El aerogel al golpearlo se convierte prácticamente en arena. Ya existen algunas soluciones a este problema. Una de ellas es echar el aerogel líquido alrededor de una manta de fibra de poliéster. Esta manta sirve de esqueleto del aerogel cuando solidifica y lo hace menos frágil. Esto se llama «tela de aerogel».
Propiedades del aerogel

Clasificación de los aerogeles

Los aerogeles pueden ser tipo orgánico, inorgánico, pueden ser híbridos orgánico-inorgánicos, o bien pueden ser de carbono. La mayoría se preparan mediante el método de Pekala, en el cual se emplea resorcinol, formaldehído y un catalizador, donde se genera una reacción de polimerización. Los aerogeles deben pasar por etapas de gelación y curado, secado supercrítico, carbonización y activación.

  • Inorgánicos: Presentan una estructura basada en óxidos metálicos o semimetálicos, se han estudiado con mayor extensión los que son preparados a partir de dióxido de silicio.
  • Híbridos orgánico-inorgánicos: Presentan una estructura basada en óxidos metálicos o semimetálicos, se han estudiado con mayor extensión los que son preparados a partir de dióxido de silicio.
  • Orgánicos: Presentan una estructura basada en polímeros orgánicos resultantes de la polimerización de monómeros orgánicos multifuncionales. Los más estudiados son los RF, obtenidos por policondensación (resorcinol con formaldehído) y MF (melamina con formaldehído).
  • Carbono: Poseen una estructura desordenada de carbono sp2, son los únicos que conducen la corriente eléctrica, se obtienen de la carbonización de aerogeles orgánicos mediante un proceso de pirólisis a temperaturas superiores a 500 ºC e inferiores a 2100 ºC, pues a temperaturas mayores se pierden las características del aerogel.

Las variables fundamentales que controlan cada una de estas etapas determinan las propiedades del gel de carbono obtenido. Entre estas variables se encuentran:

  • El tipo de precursor y de disolvente utilizado.
  • El pH de la disolución.
  • El tiempo y la temperatura de la gelación y curado.
  • El tipo de secado utilizado (supercrítico, criogénico y subcrítico).
  • La temperatura de carbonización.

Pequeñas variaciones en estas propiedades producen cambios significativos en la estructura y en las propiedades de los geles de carbono.

Usos del Aerogel

El aerogel tiene varias aplicaciones comerciales, aunque principalmente ha sido utilizado como aislante térmico en las ventanas de los edificios de oficinas, en las que sus propiedades son utilizadas para evitar la pérdida de calor o el aumento de éste.

Su aspecto es fantasmagórico y tiene una resistencia considerable puesto que podría soportar aproximadamente más de 1.000 veces su peso.

El uso más obvio de los aerogeles es como aislante térmico ultraligero para estructuras aéreas, lo que en teoría permitiría a estas flotar indefinidamente en el aire. El pabellón de los Estados Unidos en la Exposición Universal de Montreal es una cúpula geodésica tan ligera, que una diferencia de temperatura entre el aire del interior con el exterior la haría flotar.

El gran problema de crear y conservar esta diferencia en una esfera de aproximadamente treinta metros de diámetro se resuelve con un aerogel traslúcido que no permite la fuga de calor y sí la entrada de radiación solar, como un cristal, con lo que se aumenta la flotación indefinidamente mientras le dé el Sol, y dada la ligereza del material de la «piel» de la cubierta, sería masa de flotación en vez de peso. Incrementando el diferencial de temperatura interior-exterior al elevarse en la atmósfera, partiendo desde un punto cálido en la superficie y elevándolo hasta, por ejemplo, los ocho mil metros, se tendrían diferencias de temperatura de 80 ºC. Una estructura así flotaría y produciría un excedente de energía útil.

Aplicación del aerogel.
La Biosfera de Montréal, anteriormente el Pabellón Americano de la Expo 67, por R. Buckminster Fuller, en Île Sainte- Hélène, Montreal, Quebec

El aerogel también puede servir como parachoques en automóviles, pues amortigua los golpes en un 89% de intensidad.

Según investigadores de la Universidad de Harvard, el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y la Universidad de Edimburgo, regiones de la superficie marciana podrían llegar a hacerse habitables a base de aerogel de sílice, un material que imita el efecto invernadero atmosférico de la Tierra, publicaron en un artículo en Nature Astronomy.

Te dejamos algunos vídeos dónde podrás conocer más sobre los aerogeles

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