Los aerogeles se conocen como "humo congelado" debido a su aspecto azul fantasmal. NASA / JPL-Caltech Aerogel un material creado en una apuesta entre dos científicos a finales de la década de 1920, puede ser la sustancia más singular de la Tierra. Es el sólido más ligero que existe - Guinness World Records incluso lo dijo - pero puede soportar 500 a 4, 000 veces su propio peso (según a quién le pregunte) [fuente:NASA JPL, Guiness; Steiner, Gravedad cero]. Se podría extender una pulgada cúbica de aerogel para cubrir todo un campo de fútbol. Es transpirable e ignífugo, y absorbe aceite y agua. El aerogel también es increíblemente fuerte, considerando su peso. Los aerogeles pueden ser excelentes conductores eléctricos, sin embargo, cuando está hecho de diferentes materiales, también son uno de los mejores aislantes jamás conocidos [fuente:Steiner, Gravedad cero]. Entonces, ¿por qué los aerogeles no tienen el reconocimiento de nombre de la lista A que se merecen?
Desafortunadamente, producir un producto tan único requiere una cantidad extraordinaria de tiempo y dinero, en parte porque en cada lote solo se fabrica una cantidad muy pequeña de aerogel. Aunque producir más aerogel a la vez reduciría su precio, el proceso y los materiales por sí solos tienen un alto precio de aproximadamente $ 1,00 por centímetro cúbico. Alrededor de $ 23, 000 por libra, El aerogel es actualmente más caro que el oro [fuente:NASA JPL, Preguntas frecuentes]!
Un producto tan valioso parecería pertenecer al lado de los diamantes y las perlas en el joyero de una heredera. Pero es más probable que se encuentre aerogel aislando un cohete o espesando pintura que adornando a las personas de la alta sociedad adinerada. Si bien los aerogeles pueden no ser tan glamorosos como el oro, realizan sus tareas sin igual.
En este articulo, exploraremos qué hace que los aerogeles sean únicos, desde su descubrimiento en California a finales de la década de 1920, a su viaje para recolectar polvo espacial en 1999. También veremos qué les depara el futuro a los aerogeles y si existe una manera de hacerlos más rentables para el público en general. Finalmente, le mostraremos cómo puede hacer su propio aerogel - sorprendentemente, se puede hacer.
Siga leyendo para obtener más información sobre cómo apareció el aerogel por primera vez y cómo se fabrica esta sustancia adaptable.
Contenido
La leyenda del aerogel está envuelta en misterio. Lo que sí sabemos es que a finales de la década de 1920, El profesor de química estadounidense Samuel Kistler hizo una apuesta con su colega Charles Learned. Kistler creía que lo que hacía de un objeto un gel no eran sus propiedades líquidas sino su estructura:específicamente, su red de diminutos, poros microscópicos conocidos como nanoporos. Tratar de probar esto simplemente evaporando el líquido hizo que el gel se desinflara como un suflé. Entonces, el objetivo del juego era ser el primero en reemplazar el líquido en "jaleas" con gas, pero sin causar daño a la estructura [fuente:Steiner, Gravedad cero].
Después de mucho ensayo y error, Kistler fue el primero en reemplazar con éxito el líquido del gel con un gas, creando una sustancia que estructuralmente era un gel, pero sin liquido. En 1931 publicó sus hallazgos en un artículo llamado "Aerogeles y jaleas expandidos coherentes" en la revista científica Nature [fuente:Ayers, Pionero].
El aerogel comienza como un gel, llamado alcogel . Alcogel es un gel de sílice con alcohol dentro de sus poros. La simple evaporación del alcohol de la estructura de sílice haría que la estructura se contrajera, al igual que una esponja húmeda se deformará cuando se deje en un mostrador para que se seque. En lugar de depender solo de la evaporación, el gel tiene que ser supercríticamente secado. Esto es lo que se necesita:
El secado supercrítico es la forma en que la parte líquida de "alco" del alcogel se convierte en gas dentro de los nanoporos de sílice sin que la estructura colapse. El alcogel con su alcohol eliminado ahora se llama aerogel, ya que el alcohol ha sido reemplazado por aire. Con solo del 50 al 99 por ciento del volumen del material original, aerogel es una luz, material flexible y útil [fuente:Steiner, Gravedad cero].
Continúe en la página siguiente para conocer los tipos más comunes de aerogeles que se utilizan en la actualidad.
Los tres tipos más comunes de aerogeles son la sílice, óxidos de carbono y metálicos, pero es la sílice la que se utiliza con mayor frecuencia de forma experimental y en aplicaciones prácticas. Cuando la gente habla de aerogeles, es probable que estén hablando del tipo de sílice [fuente:Aerogel.org, Sílice]. La sílice no debe confundirse con la silicona, que es un semiconductor utilizado en microchips. La sílice es un material vítreo que se utiliza a menudo como aislamiento.
A diferencia de los aerogeles de sílice azul ahumado, los a base de carbono son negros y se sienten como carbón al tacto. Lo que les falta en miradas, compensan una gran superficie y capacidades conductoras de electricidad. Estas propiedades hacen que los aerogeles de carbono sean útiles para supercondensadores, pilas de combustible y sistemas de desalinización [fuente:Aerogel.org, Orgánico].
Los aerogeles de óxidos metálicos están hechos de óxidos metálicos y se utilizan como catalizadores para transformaciones químicas. También se utilizan en la producción de explosivos y nanotubos de carbono, y estos aerogeles pueden incluso ser magnéticos. Lo que distingue a los aerogeles de óxido metálico como el óxido de hierro y la cromia de sus primos de sílice más comunes es su gama de colores sorprendentemente brillantes. Cuando se convierte en un aerogel, El óxido de hierro confiere un aerogel en su característico color óxido. Los aerogeles de cromo aparecen de color verde oscuro o azul. Cada tipo de óxido metálico da como resultado un aerogel de un color ligeramente diferente. [fuente:Aerogel.org, Metal].
Los aerogeles de sílice, los aerogeles más comunes, son azules por la misma razón que el cielo es azul. El color azul se produce cuando la luz blanca se encuentra con las moléculas de sílice del aerogel, que son más grandes que las longitudes de onda de la luz. El aerogel se esparce, o refleja, las longitudes de onda de luz más cortas más fácilmente que las más largas. Debido a que la luz azul y violeta tienen las longitudes de onda más cortas, se dispersan más que otros colores del espectro visible. Vemos longitudes de onda dispersas como color, y dado que nuestros ojos son más sensibles a las longitudes de onda azules, nunca vemos los violetas [fuente:Steiner, Gravedad cero].
Siga leyendo para obtener más información sobre las aplicaciones de los aerogeles en el espacio.
Agua contra alcoholLos alcogeles tienen los poros llenos de alcohol, pero ¿y si usaras agua en su lugar? En sus primeros experimentos, Kistler utilizó hidrogeles , que contenía agua. Al secar, estos geles se comportan de forma muy parecida a la gelatina. Se rompen en un pegajoso mancha desordenada porque el líquido del hidrogel se evapora demasiado rápido para que la sustancia conserve su forma. Con cada molécula que se filtra, otros intentan llenar los vacíos. Esto causa lo que se conoce como estrés capilar dentro de los poros del gel, provocando el colapso de toda la estructura [fuente:Hunt y Ayers, Historia].
Este colector de polvo para la nave espacial STARDUST estaba equipado con 260 paneles de aerogel. NASA / JPL-Caltech La versatilidad de Aerogel lo ha hecho muy importante tanto en la Tierra como en el espacio. Ha cumplido una variedad de roles en varias misiones de la NASA, desde aislar el equipo eléctrico de los rovers de Marte hasta capturar el polvo espacial de un cometa a gran velocidad.
Los cometas son objetos primitivos que se remontan al nacimiento del sistema solar. Mientras vuelan por el espacio arrojan partículas llamadas polvo espacial. Este polvo espacial es muy buscado por los científicos que esperan que nos enseñe cómo comenzó nuestro mundo.
En una misión para capturar muestras de cometas y polvo espacial en 1999, La NASA lanzó una nave espacial que viajó 4.800 millones de kilómetros (el equivalente a 6, 000 viajes a la luna) para llegar al cometa Wild 2. Una vez allí, el colector de polvo en forma de raqueta de tenis se abrió y usó sus 260 cubos de aerogel para capturar las veloces partículas de polvo interestelar y preservarlas en su estado natural [fuente:NASA JPL, Aerogel]. Y lo que es más, como partículas bombardearon el colector de polvo, dejaron rastros dentro de los cubos de aerogel del recolector mientras frenaban hasta detenerse. Estos senderos permitieron a los científicos encontrar más fácilmente las diminutas partículas del espacio.
Cuando la nave espacial llegó a casa en 2006, trajo de regreso las primeras muestras devueltas a la Tierra desde el espacio en más de 30 años. La durabilidad de Aerogel permitió que el colector de polvo regresara del espacio intacto sin que faltara ni una sola placa de aerogel. Los científicos han podido estudiar el polvo y los cristales contenidos en el aerogel y esperar los conocimientos que puedan aportar [fuente:Bridges].
Próximo, aprenderemos sobre algunas de las aplicaciones comerciales de aerogel.
Los crayones en la parte superior del aerogel están protegidos de la llama que se encuentra debajo. Se utilizaron aerogeles de sílice similares para aislar el rover de Marte. NASA / JPL-Caltech En sus primeros días, los aerogeles se comercializaron como agentes espesantes y se utilizaron en todo, desde maquillaje y pintura hasta napalm. También se utilizaron como filtros de cigarrillos y aislantes para congeladores. Monsanto fue la primera empresa en comercializar aplicaciones comerciales de aerogel. Sin embargo, El método de secado supercrítico de Kistler, aunque eficaz, también era peligroso, lento y costoso. Después de 30 años de producción, Todos estos factores llevaron a Monsanto a descontinuar su enfoque en los aerogeles en la década de 1970.
Sin embargo, este no fue el final del aerogel. Poco después de que Monsanto lo abandonara, Los científicos desarrollaron un proceso que hizo que la producción de aerogeles fuera menos tóxica mediante el uso de un compuesto de alcóxido más seguro. También lo hicieron menos peligroso al reemplazar el alcohol supercrítico con dióxido de carbono supercrítico en el proceso de secado. Estos desarrollos redujeron el tiempo empleado en secar los aerogeles y redujeron la naturaleza peligrosa e inflamable de su producción. Tales avances hicieron que el aerogel fuera un poco más comercialmente viable nuevamente, y los científicos se sintieron intrigados por las posibilidades del producto. [fuente:Hunt y Ayers, Historia]
Como la producción de aerogel se hizo menos complicada y peligrosa, sus propiedades únicas han hecho que el aerogel sea popular entre una variedad de industrias. Fabricantes de silicio, Los fabricantes de materiales para la construcción de viviendas y las agencias espaciales han puesto en uso el aerogel. Su popularidad solo se ha visto obstaculizada por el costo, aunque hay un impulso cada vez más exitoso para crear aerogeles que sean rentables. Mientras tanto, Los aerogeles se pueden encontrar en una gama de productos:
[fuente:Aerogel.org, Historia moderna]
Debido a la estructura única del aerogel, su uso como aislante es una obviedad. Las bolsas de aire superaislante con estructura de aerogel contrarrestan casi por completo los tres métodos de transferencia de calor:convección, conducción y radiación [fuente:Cabot Corporation]. Aunque el aerogel sigue siendo bastante caro, la buena noticia es que los estudios han demostrado que el aislamiento de aerogel que se usa en marcos de paredes y áreas difíciles de aislar, como los tapajuntas de las ventanas, puede ahorrarle a un propietario hasta $ 750 por año. Además de ayudar a los propietarios a ahorrar dinero, El aislamiento de aerogel puede reducir significativamente su huella de carbono. [fuente:Aspen Aerogels, Nuevo Spaceloft]. Las empresas se apresuran a encontrar una manera de reducir los costos, pero por ahora, los aerogeles son más asequibles para la NASA que el público en general. Todavía, los aerogeles son utilizados por empresas de construcción, Centrales eléctricas y refinerías. Quizás cuando sea más asequible, aerogel alcanzará ese estado de lista A.
De la Tierra al espacio Los aerogeles, sin duda, tienen un lugar en nuestro futuro. Siga leyendo para conocer los avances recientes del aerogel y cómo usted, también, puede experimentar con aerogel.
Un ladrillo de 5.5 libras está sostenido por una pieza de aerogel de sílice que pesa solo 2 gramos (0.07 onzas). NASA / JPL-Caltech Aunque el aerogel es caro, los investigadores todavía están experimentando formas de hacerlo más fuerte, más barato y menos peligroso. Por ejemplo, El profesor Nicholas Leventis de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri sorprendió al mundo de la ciencia en 2002 con el anuncio de que había desarrollado un método para fabricar aerogeles no frágiles. Aerogeles de Leventis, conocido como x-aerogeles , no solo son más fuertes; también son más flexibles, impermeable y resistente a los impactos. La desventaja es que la producción de aerogel X requiere más productos químicos peligrosos y lleva más tiempo; estos productos químicos también disminuyen su capacidad de aislamiento [fuente:Aerogel.org, Fuerte]. A pesar de algunos aspectos negativos, Los x-aerogeles tienen las siguientes aplicaciones posibles:
[fuente:Leventis]
Adicionalmente, los aerogeles podrían ayudar a impulsar una tecnología más "verde". El aerogel de carbono tiene un gran potencial para supercondensadores y pilas de combustible para automóviles energéticamente eficientes. De hecho, la capacidad de almacenamiento de energía del aerogel de carbono podría generar una gran cantidad de nuevas tecnologías, pero solo si el precio de producción del aerogel se vuelve más asequible para operaciones a gran escala.
La buena noticia es que no es necesario ser un científico investigador bien financiado para experimentar con la fabricación de nuevos aerogeles. ¿Quieres hacer tu propio aerogel? Aunque es posible hacer esto en casa, es mejor hacerlo en un laboratorio que contenga todos los materiales necesarios, incluyendo un autoclave para secar supercríticamente su aerogel. (Si te sientes súper productivo, aquí hay instrucciones sobre cómo hacer su propio secador supercrítico.) Pregunte en su universidad local o colegio comunitario; lo más probable es, si les dices que tienes una receta con la que quieres trabajar, pueden dejarte usar su equipo [fuente:Hunt y Ayers, Haciendo; Aerogel.org, Construir].
Varios sitios web brindan instrucciones sobre cómo hacer aerogeles, incluyendo aerogel.org y este de la Universidad de California. Independientemente de dónde hagas tu aerogel, las precauciones de seguridad son imprescindibles. Use gafas, guantes (los mejores son guantes para lavar platos), Pantalones largos, zapatos cerrados y una máscara de pintor para protegerse de vapores peligrosos y materiales inflamables. [fuente:Steiner, Cómo hacer; Hunt y Ayers, Haciendo]
Aerogeles:¿hay algo que no puedan hacer? Con suerte, el público estará con ellos por su nombre de pila en un futuro próximo. Para obtener más información sobre aerogeles y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.
