Aerogel

Definição

Um aerogel é uma espuma sólida mesoporosa de células abertas que é composta por uma rede de nanoestruturas interconectadas e que exibe uma porosidade (volume não sólido) não inferior a 50%.

O termo “mesoporoso” se refere a um material que contém poros que variam de 2 a 50 nm de diâmetro.

De modo geral, a maioria dos poros em um aerogel está dentro dessa faixa de tamanho. Na prática, a maioria dos aerogéis exibe algo entre 90 a 99,8 +% de porosidade e também contém uma quantidade significativa de microporosidade (poros com menos de 2 nm de diâmetro).

Aerogel é um termo amplo usado para falar sobre um grupo extraordinário de materiais que têm sido usados desde 1960 em viagens espaciais, mas agora estão encontrando usos em uma ampla gama de indústrias.

Aerogel não é um mineral ou material específico com uma fórmula química definida, em vez disso, o termo é usado para abranger todos os materiais com uma estrutura geométrica específica. Esta estrutura é uma espuma sólida extremamente porosa, com alta conectividade entre estruturas ramificadas de alguns nanômetros de diâmetro.

O que é aerogel?

O aerogel é um material avançado que contém 15 entradas no Livro de Recordes do Guinness para propriedades como sólido de menor densidade e melhor isolante. É uma substância à base de sílica, consistindo de uma rede dendrítica solta do átomo de silício.

O aerogel é fabricado removendo delicadamente o líquido, geralmente etanol, de um alcogel de sílica, substituindo-o por nada além de ar, que compõe 99,8% do produto final.

Alguns aerogéis têm densidade tão baixa quanto 0,001 gramas por centímetro cúbico (0,0005 onças por polegada cúbica).

A sensação tátil do aerogel é como a da espuma plástica dura. Sua aparência física é semitransparente como a de uma névoa solidificada, o que lhe valeu o apelido de “fumaça congelada”.

O aerogel se estilhaça facilmente, tornando-o inadequado como isolante independente para janelas, mas pode suportar até 2.000 vezes seu próprio peso.

É muito caro devido aos produtos químicos e processos subjacentes à sua fabricação.

Existem diferentes variedades de aerogel, com cores e intensidades ligeiramente diferentes, com base nas variações do processo de fabricação.

O aerogel foi criado por Steven Kistler em 1931, mas suas aplicações não foram verdadeiramente realizadas até os anos sessenta e setenta.

A década de 1980 viu um renascimento no campo dos aerogéis, com instituições de primeira linha como a NASA e o Berkeley Labs trabalhando em pesquisas nessa área.

Eles têm sido considerados como um substituto para a espuma de poliuretano em refrigeradores e como isolante para janelas.

O aerogel tem sido usado em missões espaciais da NASA para capturar partículas de micrometeorito para estudo sem danificar sua estrutura.

O aerogel é produzido liberando toda a água de um gel de sílica coloidal sem perturbar sua estrutura geral. Quando os géis morrem sob temperaturas e pressões normais, a tensão superficial nos minúsculos poros do gel faz com que a estrutura se contraia e se reduza a cerca de 10 vezes seu volume original. Na fabricação de aerogel, um gel é colocado em um recipiente de alta temperatura (280 °C) e pressão (816,5 quilogramas por polegada quadrada ou 1.241 Newtons por centímetro quadrado).

Isso faz com que o líquido dentro do gel entre em um estado supercrítico, permitindo uma transição de fase de líquido para gás sem o encolhimento que o acompanha, o que causa o colapso de uma estrutura fina de gel.

Este processo é conhecido como secagem supercrítica.

No início, o processo demorava dias para criar os aerogéis, mas as melhorias reduziram o tempo de secagem para algumas horas. O processo ainda consome muita energia, levando ao alto custo dos aerogéis.

Os aerogéis realmente se qualificam como um “material da era espacial”, um arranjo avançado da matéria sem nenhum análogo na natureza. Pode um dia ser usado em uma variedade de aplicações, desde isolamento para habitações até novas formas de arte. Muitos jovens pesquisadores estão focados no material, misturando aerogel com aditivos como carbono para aumentar suas propriedades de isolamento ou trabalhando para minimizar o tamanho dos poros para tornar o aerogel o mais transparente possível.

Há muitas direções para pesquisas futuras e muitas aplicações potenciais se essa pesquisa der frutos.

Aerogel – Materiais

Os aerogéis são uma classe diversa de materiais porosos e sólidos que exibem uma variedade incrível de propriedades extremas de materiais.

Mais notavelmente os aerogéis são conhecidos por suas densidades extremamente baixas (que variam de 0,0011 a ~ 0,5 g cm-3).

Na verdade, os materiais sólidos de menor densidade que já foram produzidos são todos os aerogéis, incluindo um aerogel de sílica que, conforme produzido, era apenas três vezes mais pesado que o ar e poderia se tornar mais leve que o ar ao evacuar o ar por seus poros. Dito isso, os aerogéis geralmente têm densidades de 0,020 g cm-3 ou mais (cerca de 15 vezes mais pesados que o ar). Mas, mesmo nessas densidades, seriam necessários 150 pedaços de aerogel do tamanho de um tijolo para pesar tanto quanto um único galão de água!

E se o David de Michaelangelo fosse feito de um aerogel com densidade de 0,020 g cm-3, ele pesaria apenas cerca de 2 kg!

Normalmente os aerogéis têm 95-99% de ar (ou outro gás) em volume, com o aerogel de menor densidade já produzido tendo 99,98% de ar em volume.

Essencialmente, um aerogel é a estrutura sólida seca, de baixa densidade, porosa e sólida de um gel (a parte de um gel que dá ao gel sua coesividade de tipo sólido) isolado intacto do componente líquido do gel (a parte que compõe a maioria do volume do gel). Os aerogéis são porosos abertos (ou seja, o gás no aerogel não fica preso em bolsas sólidas) e têm poros na faixa de <1 a 100 nanômetros (bilionésimos de um metro) de diâmetro e geralmente <20 nm.

Aerogéis são materiais secos (ao contrário dos géis “normais” que você possa imaginar, que geralmente são úmidos como sobremesas de gelatina).

A palavra aerogel se refere ao fato de que os aerogéis são derivados de géis – efetivamente a estrutura sólida de um gel úmido, apenas com um gás ou vácuo em seus poros em vez de líquido. Saiba mais sobre géis, aerogéis e como os aerogéis são feitos.

Do que são feitos os aerogéis?

O termo aerogel não se refere a uma substância em particular, mas sim a uma geometria que uma substância pode assumir – da mesma forma que uma escultura pode ser feita de argila, plástico, papel machê, etc., os aerogéis podem ser feitos de um grande variedade de substâncias, incluindo:

Sílica

A maioria dos óxidos de metal de transição (por exemplo, óxido de ferro)
A maioria dos óxidos de metal lantanídeo e actinídeo (por exemplo, óxido de praseodímio)
Vários óxidos de metal do grupo principal (por exemplo, óxido de estanho)
Polímeros orgânicos (como resorcinol-formaldeído, fenol-formaldeído, poliacrilatos, poliestirenos, poliuretanos e epóxis)
Polímeros biológicos (como gelatina, pectina e ágar ágar)
Nanoestruturas semicondutoras (como pontos quânticos de seleneto de cádmio)
Carbono
Nanotubos de carbono

e

Metais (como cobre e ouro)

Compósitos de aerogel, por exemplo aerogéis reforçados com revestimentos de polímero ou aerogéis incorporados com nanopartículas magnéticas, também são preparados rotineiramente.

Como o aerogel é criado?

Em termos gerais, o aerogel é criado pela secagem de um gel, em um ambiente de alta temperatura.

Primeiro, o gel é criado em uma solução e, em seguida, o componente líquido é removido por meio de secagem supercrítica, que remove o líquido lentamente a fim de manter a forma estrutural.

Este componente líquido é então substituído por ar.

O aerogel foi criado em 1931 por Samuel Stephens Kistler, com aerogéis de carbono introduzidos pela primeira vez na década de 1980.

Resumo

Os aerogéis existem há mais de 80 anos.

Inventado em 1931 pelo Dr. Samuel Kistler no College of the Pacific na Califórnia, o aerogel de sílica é um sólido leve derivado do gel no qual o componente líquido do gel foi substituído por gás. Quando o líquido é removido, o que resta é “areia estufada”, com porosidade de até 99%. O resultado é um sólido de baixíssima densidade com várias propriedades notáveis, principalmente sua eficácia como isolante térmico.

Os aerogéis também têm valor em aplicações emergentes, como armazenamento de energia, filtragem e captura de carbono.

Os sólidos nos aerogéis de sílica são maus condutores, consistem em aglomerados muito pequenos, tridimensionais e entrelaçados que compreendem apenas 3% do volume. A condução através do sólido é, portanto, muito baixa. Os 97% restantes do volume dos aerogéis são compostos de ar em nanoporos extremamente pequenos. O ar tem pouco espaço para se mover, inibindo tanto a convecção quanto a condução da fase gasosa.

Essas características tornam os aerogéis o isolante térmico de menor densidade e mais eficaz do mundo.

Depois de muitas décadas como curiosidade de laboratório, a Aspen Aerogels comercializou com sucesso uma forma técnica e economicamente viável de aerogel para uso industrial e de isolamento de edifícios.

Fonte: www.aerogel.org/www.aerogeltechnologies.com/www.aerogel.com/www2.lbl.gov/www.wisegeek.org/www.instituteofmaking.org.uk/www.azom.com/nanografi.com/wonderopolis.org/www.nasa.gov