Aerogel: Cómo Surgió
Aerogel: Introducción y Características
El aerogel es conocido como el material sólido más liviano del mundo, compuesto por un 97% de aire y un 3% de estructura sólida, con una densidad solo 1.5 veces la del aire. Además de ser extremadamente liviano, el aerogel también posee excelentes capacidades de aislamiento térmico, principalmente debido al «efecto Knudsen». Dado que el aerogel está compuesto principalmente por sílice y aire, donde la conductividad térmica de la sílice es moderada y el aire tiene una baja conductividad térmica.
Además, el aerogel presenta numerosos poros a escala nanométrica que dificultan la difusión del aire a través del material, obstaculizando la transferencia de calor por convección.
Debido a su resistencia a altas temperaturas, el aerogel se utiliza frecuentemente en entornos como los rovers de Marte para el aislamiento.
Además, la propiedad resistente al agua del aerogel se logra mediante modificación, transformando grupos polares -OH en grupos no polares -OR, lo que resulta en un aerogel hidrofóbico.
A pesar de aparecer como un producto de vanguardia de la tecnología moderna, el aerogel fue desarrollado por primera vez en la década de 1930 por el químico Samuel Kistler.
El Nacimiento del Primer Aerogel
Las sustancias gelatinosas son comunes, como la gelatina que consumimos, que es una combinación de estados sólido y líquido. Samuel Kistler y su colega Charles Learned hicieron una apuesta sobre la razón por la cual la gelatina forma un gel. Mientras Charles creía que se debía a su naturaleza líquida, Samuel argumentó que la clave era la presencia de una estructura sólida dentro del gel.
Para demostrar su punto, Samuel realizó experimentos para demostrar la presencia de una red sólida continua en el gel húmedo. El objetivo era eliminar el líquido del gel mientras se mantenía la estructura sólida, demostrando que el gel y su contenido líquido no estaban relacionados. Sin embargo, el desafío era que simplemente permitir que el líquido en el gel se evaporara haría que la estructura sólida se contrajera debido a las fuerzas atractivas entre las moléculas, lo que resultaría en el colapso del gel.
Para superar esto, Samuel tuvo que reemplazar el líquido en el gel, y la única opción adecuada era el gas, ya que el gel ya contenía estados sólido y líquido. Sin embargo, el gas regular no podía reemplazar el líquido en el gel. Samuel utilizó un enfoque novedoso: al presurizar y calentar el gel, hizo que el líquido superara su punto crítico, convirtiéndolo en un fluido supercrítico (sin distinción entre líquido y gas), eliminando la atracción intermolecular.
Samuel eligió silicato de sodio como materia prima, catalizado por ácido clorhídrico para facilitar la hidrólisis. El agua y el etanol sirvieron como solventes en el intercambio, transformándolo en un alcogel. El alcogel se colocó luego en un entorno de alta temperatura y alta presión. A medida que el etanol alcanzaba el estado de fluido supercrítico, el gel se despresurizaba. Con la disminución de la presión, las moléculas de etanol se liberaron como gas. Una vez retirado de la fuente de calor y enfriado, el etanol en el gel se evaporó, dejando atrás la estructura sólida llena de gas, el primer aerogel.
Esta investigación se publicó en la revista Nature en 1931.
Mejoras al Método de Preparación del Aerogel
Indudablemente innovadora, la investigación de Samuel se estancó durante más de 30 años debido a condiciones de preparación desafiantes y que requerían mucho tiempo. No fue hasta 1970 que la Universidad de Lyon, en busca de un material poroso para almacenar oxígeno y combustible de cohetes, revisitó el aerogel, mejorando el método de Samuel.
El nuevo método reemplazó el silicato de sodio con tetrametoxisilano (TMOS) y el etanol con formaldehído. Esta modificación produjo alcogeles de aerogeles de sílice de mayor calidad y redujo significativamente el tiempo requerido para la preparación. Esta mejora marcó un avance significativo en la ciencia del aerogel.
Después de estas mejoras, más investigadores se unieron al campo de los aerogeles.
En 1983, el Grupo de Materiales de Microestructura del Laboratorio Berkeley descubrió que el compuesto altamente tóxico TMOS podía ser reemplazado por el más seguro tetraetoxisilano (TEOS). También descubrieron que, antes del secado supercrítico, el CO2 líquido podía reemplazar al alcohol en el gel sin dañar el aerogel.
Esto representó un importante avance en seguridad, ya que el CO2 carece del peligro explosivo de los alcoholes. A medida que la investigación sobre los aerogeles se profundizaba, los físicos reconocieron que este material a escala nanométrica podía usarse para recoger partículas de radiación de Cherenkov difíciles de capturar, ya que luchan por pasar a través de la estructura compleja del aerogel, quedando atrapadas en su interior.
Además de la recolección de partículas, los aerogeles de sílice preparados por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA fueron enviados al espacio y encargados de recoger partículas de polvo de cometas.
