Che cos’è Aerogel? Teoria, Proprietà e Applicazioni

di G. P. ThomasAug 22 2012

‘Aerogel’ è un termine generico usato per parlare di uno straordinario gruppo di materiali che sono stati utilizzati dal 1960 in viaggio nello spazio, ma ora stanno trovando utilizza l’intera gamma di industrie. ‘Aerogel’ non è un minerale specifico o materiale con una formula chimica insieme-piuttosto, il termine è usato per comprendere tutti i materiali con una struttura geometrica specifica. Questa struttura è una schiuma estremamente porosa e solida, con un’elevata connettività tra strutture ramificate di pochi nanometri.

Sebbene aerogel sia tecnicamente una schiuma, può assumere molte forme e forme diverse. La maggior parte degli aerogel è composta da silice, ma carbonio, ossido di ferro, polimeri organici, nanostrutture di semiconduttori, oro e rame possono anche formare aerogel. Tuttavia, all’interno della struttura aerogel, molto poco è materiale solido, con fino al 99,8% della struttura costituita da nient’altro che aria. Questa composizione unica conferisce all’aerogel un aspetto quasi spettrale; quindi è spesso indicato come ‘fumo congelato’.

Anche se questo sembra un ologramma, questa è una fotografia di un grumo di aerogel, che al tatto si sente come polistirolo. Crediti immagine: NASA

Proprietà chimiche e fisiche di Aerogel

Una delle proprietà fisiche più note e più utili di aerogel è la sua incredibile leggerezza-in genere ha una densità compresa tra 0,0011 a 0,5 g cm-3, con una media tipica di circa 0.020 g cm-3. Ciò significa che l’aerogel è solitamente solo 15 volte più pesante dell’aria ed è stato prodotto a una densità di solo 3 volte quella dell’aria. E ‘ così leggero, che se il David di Michelangelo è stato costruito da aerogel, peserebbe circa lo stesso come un sacchetto di zucchero! Per molti anni, aerogel è stato nel Guinness dei primati come il ‘solido con la densità più bassa’, prima di essere spodestato di recente dal microlattice metallico e poi aerographite.

Questo non rende aerogel ridondante tuttavia, come ha un ulteriore 14 record mondiali al suo nome, tra cui ‘miglior isolante’. Ulteriori proprietà desiderabili dell’aerogel sono elencate di seguito, con alcune di queste proprietà anche le più note all’uomo.

• Bassa cammino libero medio di diffusione
• Elevata superficie specifica (per un non-polvere di materiale)
• Bassa conducibilità termica
• Bassa velocità del suono
• Basso indice di rifrazione
• Bassa costante dielettrica

La conducibilità termica estremamente bassa di aerogel è dimostrato magistralmente qui, come questi pastello a cera sedersi direttamente sopra una forte fiamma senza fusione, a causa della protezione aerogel. Crediti immagine: NASA

Come viene creato Aerogel?

In termini generali, aerogel viene creato asciugando un gel, in un ambiente ad alta temperatura. Prima il gel viene creato in una soluzione, quindi il componente liquido viene rimosso tramite essiccazione supercritica, che rimuove lentamente il liquido per mantenere la forma strutturale. Questo componente liquido viene quindi sostituito dall’aria. Aerogel è stato creato nel 1931 da Samuel Stephens Kistler, con aerogel in carbonio introdotto per la prima volta nel 1980.

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Applicazioni di Aerogel

Poiché aerogel ha proprietà chimiche e fisiche così diverse, non sorprende che abbia anche una vasta gamma di applicazioni. Dal 1960, l’aerogel è stato utilizzato come materiale isolante nelle tute spaziali degli astronauti della NASA in quanto, nonostante il suo aspetto esile, è estremamente resistente e può sopravvivere facilmente alle condizioni di decollo.

All’inizio del 21 ° secolo, aerogel è stato impiegato in un ruolo molto speciale dalla NASA – per catturare la polvere spaziale. Aerogel viene utilizzato in combinazione con la missione’ Stardust’, che mira a riportare particelle dallo spazio da oltre la Luna per la prima volta. Questa polvere viene raccolta principalmente dalla cometa ‘Wild 2’. Aerogel viene utilizzato per catturare questa polvere cometa, in quanto sarà in grado di intrappolare le piccole particelle senza alterarle fisicamente. Quando la particella colpisce l’aerogel, viaggia a velocità fino a 6 volte superiori a quelle di un proiettile di fucile, il che significa che la maggior parte delle sostanze non sarebbe in grado di rallentare la polvere senza riscaldamento e quindi l’alterazione. Con aerogel, tuttavia, la polvere si seppellisce nel materiale poroso e viene gradualmente fermata man mano che perde slancio.

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L’aerogel sta iniziando a diventare un materiale indispensabile nel settore dell’isolamento e viene utilizzato per diversi anni in pannelli isolanti e isolanti per pareti iniettate in cavità. Recentemente, l’intonaco a base di aerogel è stato utilizzato per isolare edifici storici in Svizzera. I laboratori EMPA (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) hanno collaborato con la società di produzione Fixit AG per sviluppare un rendering (materiale isolante) basato su aerogel, che a loro avviso fornirà il doppio dell’isolamento dei normali rendering. L’uso di aerogel in questo modo è estremamente efficiente dal punto di vista energetico e vantaggioso per l’ambiente, in quanto ridurrà enormemente l’uso di combustibili fossili nel riscaldamento.

I miglioramenti nella fragilità e fragilità degli aerogel annunciati di recente significano che in futuro potrebbe aprirsi un nuovo mondo di applicazioni, dall’abbigliamento all’impermeabilizzazione del calore.

Non giudicare un libro dalla sua copertina: Anche se incredibilmente leggero e simile a un fantasma in apparenza, questo piccolo pezzo di aerogel può facilmente sostenere un mattone casa standard. Crediti immagine: La NASA

bibliografia

• Jet Propulsion Laboratory della NASA
• APEM
• www.aerogel.org
• tecnologia Spaziale per i vecchi edifici, EMPA, 20 agosto 2012
• ‘Solido fumo’ materiale aerogel ottiene una maggiore resistenza, BBC News, 20 agosto 2012

Scritto da

G. P. Thomas

Gary si è laureato all’Università di Manchester, con una prima classe di laurea in Geochimica e un Master in Scienze della Terra. Dopo aver lavorato nell’industria mineraria australiana, Gary ha deciso di appendere gli stivali di geologia e girare la mano per scrivere. Quando non sta sviluppando contenuti topici e informativi, Gary di solito può essere trovato a suonare la sua amata chitarra, o guardare l’Aston Villa FC strappare la sconfitta dalle fauci della vittoria.

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