Aerogeles (del lat. aer - aire y gelatus - congelado) - una clase de materiales que son un gel en el que la fase líquida se reemplaza completamente por la gaseosa. Dichos materiales tienen una densidad baja récord y demuestran una serie de propiedades únicas: dureza, transparencia, resistencia al calor, conductividad térmica extremadamente baja, etc. Los aerogeles basados en dióxido de silicio amorfo , alúmina , así como óxidos de cromo y estaño son comunes. A principios de la década de 1990, se obtuvieron las primeras muestras de aerogel a base de carbono .
Los aerogeles pertenecen a la clase de materiales mesoporosos , en los que las cavidades ocupan al menos el 50% y, por regla general, el 95-99% del volumen, y la densidad oscila entre 1 y 150 kg/m3 . De acuerdo con la estructura, los aerogeles son una red en forma de árbol de nanopartículas de 2 a 5 nm de tamaño combinadas en grupos y poros de hasta 100 nm de tamaño .
Al químico Stephen Kistler se le atribuye la invención.de la universidad del pacificoen Stockton , California , EE. UU., quienes publicaron sus resultados en 1931 en la revista Nature .
Kistler reemplazó el líquido en el gel con metanol y luego calentó el gel bajo presión hasta que se alcanzó la temperatura crítica del metanol (240 °C). El metanol abandonó el gel sin disminuir de volumen; en consecuencia, el gel se "seca", casi sin encogerse.
Al tacto, los aerogeles se asemejan a una espuma ligera pero firme, similar a la espuma de poliestireno . Bajo una carga pesada, el aerogel se agrieta, pero en general es un material muy fuerte: una muestra de aerogel puede soportar una carga de 2000 veces su propio peso. Los aerogeles, especialmente los de cuarzo, son buenos aislantes térmicos. También son muy higroscópicos .
En apariencia, los aerogeles de cuarzo son translúcidos. Debido a la dispersión de Rayleigh de la luz en las estructuras arbóreas, aparecen azuladas con luz reflejada y amarillas claras con luz transmitida. Los aerogeles basados en óxidos de aluminio ( Al 2 O 3 ), circonio ( ZrO 2 ) y titanio ( TiO 2 ) tienen propiedades ópticas similares. Los aerogeles de otros óxidos metálicos pueden tener diferentes colores y transparencias; entonces, el aerogel de óxido de hierro es opaco y tiene un color similar al óxido , el aerogel de óxido de vanadio es opaco, verde oliva; El aerogel de óxido de cromo tiene un color verde oscuro o azul oscuro, y los aerogeles basados en óxidos de metales de tierras raras son transparentes ( el óxido de samario es amarillo, el óxido de neodimio es púrpura, los óxidos de holmio y erbio son rosados) [1] . Los aerogeles de carbono son de color negro intenso y absorben el 99,7 % de la luz incidente.
Los más comunes son los aerogeles de cuarzo . Su densidad mínima es de 1 kg/m 3 (versión vacío), que es 1000 veces menor que la densidad del agua e incluso 1,2 veces menor que la densidad del aire (aunque la densidad indicada no incluye el peso del aire incluido en el estructura, porque los aerogeles no flotan en el aire). Entre los sólidos, solo las microredes metálicas (cuya densidad puede alcanzar los 0,9 kg/m 3 [2] , que es una décima menos que los mejores valores de densidad de los aerogeles), el grafito aéreo (cuya densidad es de 0,18 kg/m 3 ) y el aerógrafo .( 0,16 kg/m3 ) . Los aerogeles de cuarzo transmiten luz en el ultravioleta suave , la región visible (con una longitud de onda superior a 300 nm ) y la región infrarroja, sin embargo, en la región infrarroja, hay bandas de hidroxilo a 3500 cm - 1 y 1600 cm - 1 típicas de cuarzo obtenido por deshidratación de geles de sílice [3] . Debido a su conductividad térmica extremadamente baja ( ~0,017 W/(m·K) en aire a presión atmosférica), [4] , que es menor que la conductividad térmica del aire ( 0,024 W/(m·K) ), se utilizan en construcción como materiales aislantes y retenedores del calor. El punto de fusión del aerogel de cuarzo es de 1200 °C.
Los aerogeles de carbono ( aerógrafos ) están compuestos por nanopartículas unidas covalentemente entre sí. Son eléctricamente conductores y se pueden utilizar como electrodos en condensadores. Debido al área muy grande de la superficie interna (hasta 800 m 2 / gramo ), los aerogeles de carbono han encontrado aplicación en la producción de supercondensadores ( ionistores ) con una capacidad de miles de faradios . En la actualidad se han logrado indicadores de 10 4 F/gramo y 77 F/cm 3 . Los aerogeles de carbono reflejan solo el 0,3% de la radiación en el rango de longitud de onda de 250 nm a 14300 nm , lo que los convierte en absorbentes efectivos de la luz solar.
Los aerogeles de alúmina hechos de alúmina con adiciones de otros metales se utilizan como catalizadores . Sobre la base de aerogeles de alúmina con aditivos de gadolinio y terbio , la NASA desarrolló un detector de colisión de alta velocidad: en el punto de colisión de una partícula con una superficie, se produce una fluorescencia , cuya intensidad depende de la velocidad de colisión.
Además de las numerosas aplicaciones técnicas debido a las propiedades únicas anteriores, el aerogel es mejor conocido por su uso en el proyecto Stardust como material para atrapar polvo cósmico .
Dado que el índice de refracción de los aerogeles es intermedio entre los índices de refracción de las sustancias gaseosas y líquidas (sólidas), el aerogel se utiliza como radiador en los detectores Cherenkov de partículas cargadas.
Los aerogeles se pueden utilizar como filtros de gases y líquidos.
Un aerogel a base de óxido de hierro con nanopartículas de aluminio puede servir como explosivo (desarrollo del Laboratorio Nacional de Livermore que lleva el nombre de E. Lawrence , EE. UU.).
A principios de 2006 , algunas empresas, como United Nuclear [5] , anunciaron el inicio de las ventas de aerogel a organizaciones y particulares. Dependiendo del tamaño y forma de la muestra, el precio oscila entre $25 (fragmentos) y $125 (una pieza que cabe en la palma de la mano).
Actualmente, el aerogel se utiliza para fabricar materiales termoaislantes para aplicaciones industriales.
Alison Aerogel es un fabricante chino de materiales de aislamiento térmico basados en aerogel de alto rendimiento.
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