Esta vez no voy a escribir sobre innovaciones en el mundo de la ciencia y la tecnología, sino de un material muy conocido que tiene su lugar en el libro Guinness de los récords como el sólido más ligero del mundo (1 m3 de material pesa sólo 1 mg) y que, además, ha sido protagonista indiscutible en algunas misiones de la NASA: el Aerogel, aunque probablemente lo recuerdes por alguno de sus nombres tales como "humo congelado", "humo sólido", "aire sólido" o "humo azul". El tamaño y la proporción de poros micro y nanométricos hacen que tenga excepcionales propiedades como aislante térmico, eléctrico y acústico, y múltiples aplicaciones que aún quedan por explorar. Aunque el Aerogel en sí hace referencia a una diversa clase de materiales porosos, el más común es el aerogel de sílice, como el de la fotografía, inspiración para todos sus apodos.
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| Dr. Peter Tsou con una pieza de aerogel [Jet Propulsion Laboratory, NASA] |
¿Qué es el Aerogel?
Según la IUPAC, es un gel que consta de un sólido microporoso en el que la fase dispersa es un gas. Según Aerogel.org, es una espuma sólida mesoporosa de células abiertas, que se compone de una red de nanoestructuras interconectadas y que exhibe una porosidad de no menos de 50%.
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| Microfotografia de un aerogel de sílice con una representación de la estructura de poros |
Mesoporoso se refiere a que contiene poros que van de 2 a 50 nm de diámetro y microporoso a poros de menos de 2 nm de diámetro [IUPAC]. Recordando que un nanómetro (nm) es la millonésima parte de un metro, estamos hablando de unos tamaños que el ojo humano no es capaz de ver, ya que sólo llega a 0.25 mm. En términos generales, la mayoría de los poros de un aerogel caen dentro de este rango de tamaño. En la práctica, la mayoría tiene entre 90 y 99.8% de porosidad y una cantidad significativa de microporos.
Historia y síntesis
El primer aerogel fue creado por S. Kistler en 1931, como resultado de una apuesta en la fue retado a reemplazar el líquido de la jalea por un gas sin provocar una contracción de poros. Para ello se necesitaba realizar un secado suave y lento, es decir, que no se creara una diferencia de presión dentro y fuera de los poros, ya que provocaba la contracción por acción capilar.
Así, los aerogeles son producidos por la extracción del componente líquido de un gel utilizando el secado supercrítico, es decir, un secado que utiliza un fluido en estado supercrítico. Como su nombre indica, supercrítico se refiere a que está por encima del punto crítico en su diagrama de presión-temperatura. Un fluido supercrítico es una sustancia cuya presión y temperatura están por encima de su estado critico, y en el que coexisten la fase líquida y la fase gas. En estas condiciones de presión y temperatura, el fluido tiene un estado y comportamiento muy bizarros, es como un gas y como un liquido, esto es, físicamente es un gas pero tiene las propiedades reológicas de un líquido. Esto permite que durante un secado supercrítico el líquido de dentro de los poros sea arrastrado lentamente sin causar daños a la matriz sólida del gel, a diferencia de lo que sucedería con la evaporación convencional. Esta técnica es muy utilizada en la industria farmacéutica.
Los primeros aerogeles se crearon a partir de geles de sílice, pero hoy existen aerogeles de alúmina, óxidos de cromo, estaño o hierro y hasta de carbono. Es la famosa tecnología sol-gel la que permite incorporar componentes orgánicos e inorgánicos en la estructura final, creando materiales que pueden presentar múltiples propiedades. En esta síntesis química, primero se produce una solución coloidal (sol) que actúa de precursor para formar el gel:
Así, los aerogeles son producidos por la extracción del componente líquido de un gel utilizando el secado supercrítico, es decir, un secado que utiliza un fluido en estado supercrítico. Como su nombre indica, supercrítico se refiere a que está por encima del punto crítico en su diagrama de presión-temperatura. Un fluido supercrítico es una sustancia cuya presión y temperatura están por encima de su estado critico, y en el que coexisten la fase líquida y la fase gas. En estas condiciones de presión y temperatura, el fluido tiene un estado y comportamiento muy bizarros, es como un gas y como un liquido, esto es, físicamente es un gas pero tiene las propiedades reológicas de un líquido. Esto permite que durante un secado supercrítico el líquido de dentro de los poros sea arrastrado lentamente sin causar daños a la matriz sólida del gel, a diferencia de lo que sucedería con la evaporación convencional. Esta técnica es muy utilizada en la industria farmacéutica.
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| Diagrama de presión-temperatura del CO2 que muestra dónde queda la región supercrítica [Springer] |
Los primeros aerogeles se crearon a partir de geles de sílice, pero hoy existen aerogeles de alúmina, óxidos de cromo, estaño o hierro y hasta de carbono. Es la famosa tecnología sol-gel la que permite incorporar componentes orgánicos e inorgánicos en la estructura final, creando materiales que pueden presentar múltiples propiedades. En esta síntesis química, primero se produce una solución coloidal (sol) que actúa de precursor para formar el gel:
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| Ilustración de la síntesis de aerogeles basada en la tecnología sol-gel, muy utilizada en la producción de materiales, especialmente cerámicos |
Es un material multidisciplinar cuyas propiedades están muy vinculadas a la receta y los parámetros de la síntesis. La tecnología sol-gel permite incorporar y añadir otros materiales para incrementar su funcionalidad, como el ejemplo del aerogel de grafeno.
Es preferido en las misiones espaciales principalmente por su extremada baja densidad, ya que permite reducir el coste de las misiones. Y es que cada kilogramo enviado al espacio cuesta unos 5.500$, según un análisis de la Futron Corporation sobre las misiones de los 90. También es querido en el sector por su resistencia térmica, porque mantiene sus propiedades intactas hasta los 300ºC, no se degrada hasta los 1200ºC y soporta fuertes variaciones térmicas. Al ser prácticamente aire, tiene sus mismas ventajas, es decir, tiene una muy baja conductividad térmica, eléctrica, reduce la velocidad del sonido y además es hidrofóbico, lo que le hace ser un aislante ideal.
Su papelón en el Espacio...
Es preferido en las misiones espaciales principalmente por su extremada baja densidad, ya que permite reducir el coste de las misiones. Y es que cada kilogramo enviado al espacio cuesta unos 5.500$, según un análisis de la Futron Corporation sobre las misiones de los 90. También es querido en el sector por su resistencia térmica, porque mantiene sus propiedades intactas hasta los 300ºC, no se degrada hasta los 1200ºC y soporta fuertes variaciones térmicas. Al ser prácticamente aire, tiene sus mismas ventajas, es decir, tiene una muy baja conductividad térmica, eléctrica, reduce la velocidad del sonido y además es hidrofóbico, lo que le hace ser un aislante ideal.
Su papelón en el Espacio...
Vista transversal del aerogel en el momento
de colisión con las partículas interestelares
[JPL, NASA]
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Su primera vez fue en la misión "Stardust" con el objetivo de recoger muestras de cometas y traerlas a la Tierra para analizarlas en laboratorio. El reto consistía en desacelerar las partículas con un calentamiento mínimo, ya que alteraría sus propiedades físicas e incluso su composición química. Para ello crearon un aerogel de densidad por capas. Cuando la partícula (mucho mayor que los poros de aerogel) golpea el material a 6 km/s se forma una especie de pasadizo de forma cónica. La energía cinética se va transformando gradualmente en energía mecánica y térmica, por lo que la partícula frena del todo en la zona de mayor densidad, manteniéndose intacta.
El aerogel a bordo de la Nave Stardust está integrado en un colector, una especie de raqueta formada por 90 bloques de aerogel que sale de la nave tal y como se ve en la imagen:
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| Animación de la Nave Stardust con el colector [JPL, NASA] |
El aerogel también ha sido utilizado en la exploración planetaria, en concreto, en el famoso "Mars Rover", que aún anda paseando por la superficie de Marte. La atmósfera marciana esta formada por un 96% de CO2, su presión atmosférica media es de 7 mbar, y tiene unos ciclos térmicos que oscilan entre unos -140ºC hasta 20ºC (sí, es mucho peor que el clima británico). A pesar de la creencia popular, Marte es frío, muy frío. En estas condiciones, los equipos electrónicos pierden mucho más calor del habitual, pudiendo crear problemas en su funcionamiento. El objetivo del aerogel es el de aislante térmico, y no es translúcido, ya que le han añadido grafito para evitar pérdidas de calor por radiación. Es una pieza en forma de sandwich colocada sobre los equipos, a la "espalda" del Rover que se ve en la fotografía:
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| Mars Rover [NASA] |
El mundo de los materiales es apasionante y está lleno de sorpresas. Hay muchísimas posibilidades con las que jugar tanto en la estructura química y física como en la forma de cocinarlos que determinan sus propiedades y aplicaciones. De ahí que los científicos hayan definido el "tetraedro de la ciencia de materiales" para "acotar" el dominio del desarrollo de nuevos materiales. Actualmente, hay enormes esfuerzos para reducir los costes de fabricación del aerogel, especialmente en el secado supercrítico por las altas presiones necesarias. ¿Será que podremos ver aerogeles integrados en las paredes de nuestra casa? Hasta entonces, y si eres de los que coleccionas, puedes comprar una pequeña muestra on-line.
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