AEROGEL

1. AEROGEL Zuriñe Miguel García Belén Cabañas de Paz

2. ÍNDICE • 1. Introducción • 2. Estructura y composición • 2.1. Formación de dendrímeros • 3. Síntesis • 4.Tipos • 4.1. Aerogeles de sílice • 4.2. Aerogeles de alúmina • 4.3. Aerogeles de carbón • 5. Propiedades • 5.1. Propiedades mecánicas • 5.2. Propiedades ópticas • 5.3. Propiedades físicas • 6. Aplicaciones • 7. Bibliografía

3. 1. INTRODUCCIÓN

4. 1. Introducción • Es un sólido derivado del gel. • En el gel el líquido se reemplaza por gas dando un sólido de muy baja densidad. • Magnífico poder aislante • Térmico • Acústico • Eléctrico

5. 1. Introducción • Debido a su apariencia nebulosa y semitransparente también se llama humo sólido, humo helado o humo azul. • Al tacto tiene una apariencia espumosa. • Pueden estar hechos de diversos materiales: • Sílice • Alumina • Cromo • Óxido de titanio • Carbón (los primeros que se desarrollaron)

6. 2. ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN

7. 2. Estructura y composición • Materiales sólidos (a pesar de su apariencia) • Estructura entrecruzada (amorfa) • Son secos y no tienen propiedades de gel

8. 2. Estructura y composición • Composición: dióxido de silicio (arena, igual que el vidrio) • Son 100 veces menos densos que el cristal, ya que aproximadamente el 99% de su estructura es aire • Densidad = 0.003g/cm3

9. 2. Estructura y composición • Tienen una estructura dendrítica • Las partículas, de un tamaño aproximado de 2-5nm se agrupan en grandes clusters • Estos clusters forman una red tridimensional con una estructura extremadamente porosa

10. 2. Estructura y composición • Los poros tienen un tamaño inferior a 100nm • El tamaño medio y la densidad de poros pueden ser controlados durante la síntesis del material

11. 2. Estructura y composición • La estructura está constituida por cordones o fibras microscópicas conectadas entre si formando una red continua • Puesto que esta red llena el espacio y se sostiene a si misma, los aerogeles se consideran materiales sólidos

12. 2. Estructura y composición • Durante un primer desarrollo, la estructura del aerogel estuvo basada en hilos de sílice y poliuretano entretejidos • Este material era demasiado frágil

13. 2. Estructura y composición • Para mejorar la fragilidad, los hilos de las partículas de sílice se unen químicamente con poliisocianato • Resultado: material tan ligero como el aire y 100 veces más resistente que el primer aerogel sintetizado. • Insensible a la humedad

14. 2. Estructura y composición • Se cree que no es posible hacer un aerogel de menor densidad • Si esto ocurriera el material obtenido no sería realmente un gel, porque las moléculas no estarían conectadas entre si • No es posible hacer un aerogel más ligero que el aire, porque precisamente el aerogel va relleno de él.

15. 2. Estructura y composición • Para aumentar la densidad del material basta con cambiar la proporción de silicio del material inicial

16. 2. Estructura y composición • Foto de alta resolución de la estructura del aerogel

17. 2.1. FORMACIÓN DE DENDRÍMEROS

18. 2.1. Formación de dendrímeros • Durante el proceso de polimerización sol-gel(*), los monómeros que están suspendidos en una solución reaccionan entre si para formar un sol compuesto por clusters coloidales • Estas macromoléculas comienzan a enlazarse y a entrecruzarse para dar un sol-gel casi sólido (*)Polimerización sol-gel: proceso que implica la transición entre una fase líquida (sol) y una sólida (gel)

19. 2.1. Formación de dendrímeros

20. 2.1. Formación de dendrímeros • Esta estructura interna entrecruzada es la responsable de la gran área superficial del material (1000m2/g)(*) (*)Un gramo de aerogel es capaz de cubrir una superficie equivalente a un campo de fútbol.

21. 2.1. Formación de dendrímeros • El principal problema del aerogel, que de momento está limitando su uso, es la imposibilidad de conseguir una estructura regular a gran escala • El problema reside en el propio proceso de polimerización sol-gel.

22. 2.1. Formación de dendrímeros • En este proceso no se puede controlar el tamaño de las partículas que se forman ni la manera en la que se unen entre si. • La estructura y la densidad del aerogel final, vienen determinadas por una gran cantidad de variables que tienen lugar durante el proceso de polimerización: • Temperatura • pH • Catalizador • …

23. 2.1. Formación de dendrímeros • Para intentar poder controlar la estructura del aerogel y hacerla más regular, en la actualidad se está desarrollando un método que consiste en la formación artificial de dendrímeros dentro de la estructura del material.

24. 2.1. Formación de dendrímeros • Los dendrímeros son unas estructuras muy ramificadas en forma de árbol con un peso molecular y tamaño muy específicos • Estos dendrímeros tienden a formar estructuras esféricas ordenadas con una estructura bien definida que las hace particularmente fuertes

25. 2.1. Formación de dendrímeros

26. 3. SÍNTESIS

27. 3. Síntesis • Alcohol (generalmente etanol) + disolvente líquido de rápida evaporación (actúa como precursor alcóxido de silicona) = dióxido de silicio sol-gel (gel de sílice)

28. 3. Síntesis • Mediante un proceso de secado supercrítico el alcohol se elimina del gel • El principal problema de la síntesis del aerogel se presenta en este último proceso de secado, como veremos a continuación

29. 3. Síntesis • Si simplemente se dejara secar el gel por si mismo, encogería y se produciría la rotura de su estructura • Esto es debido a que el componente sólido del gel es microporoso, y la interfase líquido-vapor que se produce durante el proceso de evaporación produce una fuerte tensión superficial que colapsa la estructura de los poros

30. 3. Síntesis • SECADO SUPERCRÍTICO (FUNDAMENTO) • El fundamento del proceso se basa en que se debe sustituir el líquido del gel por aire, de manera que no sea posible la reentrada del líquido en el gel • Para ello se trabaja con el líquido a una presión siempre mayor a su presión de vapor, y se eleva la temperatura, de manera que se consigue un gas que se encuentra en su temperatura crítica, a la cual las dos fases (líquido y gas) nunca están presentes en un mismo momento

31. 3. Síntesis • SECADO SUPERCRÍTICO (PROCESO) • La mezcladel alcogel se pone en un autoclave que está lleno de etanol • Se somete el sistema a una elevada presión y se enfría a unos 5-10ºC • En este momento se inyecta CO2 líquido en el recipiente antes de que se elimine el etanol

32. 3. Síntesis • SECADO SUPERCRÍTICO (PROCESO) • El CO2 comienza a sustituir al alcohol en la estructura del aerogel, y cuando lo ha sustituido por completo se calienta el recipiente hasta una temperatura próxima a la temperatura supercrítica del CO2 (31ºC). • A medida que el recipiente se calienta va aumentando su presión (PV=nRT). El CO2 empieza a liberarse lentamente del recipiente, manteniendo la presión ligeramente superior a la presión supercrítica del CO2

33. 3. Síntesis • SECADO SUPERCRÍTICO (PROCESO) • El sistema se mantiene en estas condiciones durante un breve periodo de tiempo después del cual se disminuye la presión del CO2 hasta llegar a la presión ambiental. • Al disminuir la presión se permite que el alcohol (en estado de vapor) se escape, dejando la matriz del aerogel rellena de aire. • Este proceso puede durar aproximadamente entre 12 horas y 6 días, de tal forma que una vez finalizado obtenemos el aerogel sintetizado

34. 3. Síntesis • Otro de los grandes inconvenientes del proceso de síntesis es que se trabaja con alcoholes a elevadas presiones y temperaturas, por lo que el proceso puede ser explosivo si no está sometido a un control exhaustivo.

35. 3. Síntesis • Autoclave

36. 4. TIPOS

37. 4.1. AEROGELES DE SÍLICE

38. 4. Tipos • AEROGELES DE SÍLICE • Son el tipo más común • Absorben fuertemente la radiación infrarroja, lo que permite utilizarlos en la construcción de estructuras en las cuales se quiera permitir el paso de luz al interior de la estructura pero no el paso de calor

39. 4.2. AEROGELES DE ALÚMINA

40. 4. Tipos • AEROGELES DE ALÚMINA • Compuestos de óxido de aluminio • Se utilizan como catalizadores, especialmente en los compuestos por metal dopado+metal. La combinación níquel-alúmina es la más común • Son utilizados por la NASA para capturar partículas a hipervelocidades. Un aerogel dopado con gadolinio y terbio produce fluorescencia en el lugar de impacto de las partículas, de modo que se puede visualizar y cuantificar la velocidad de las partículas, ya que la fluorescencia depende de la velocidad del impacto.

41. AEROGELES DE CARBÓN

42. 4. Tipos • 4.3. AEROGELES DE CARBÓN • Son conductores eléctricos dependiendo de su densidad • Debido a su gran área superficial se usan para hacer supercondensadores y como adsorbentes • Absorben el 99.7% de la radiación infrarroja, lo que les hace especialmente interesantes para utilizarlos como paneles solares

43. 5. PROPIEDADES

44. 5. Propiedades • MECÁNICAS  A elevadas presiones se deforman (no “marca”)  Materiales estructuralmente fuertes Un ladrillo de 2.5 kg soportado por 3 g de aerogel

45. 5. Propiedades • ÓPTICAS  Apariencia semitransparente  Color azul (dispersión Rayleigh)

46. 5. Propiedades • Vuelos parabólicos (microgravedad)

47. FÍSICAS  ligeros (0,003g/cm3)  elevada área superficial  quimicamente inertes  baja constante dieléctrica  bajo índice de refracción  baja velocidad de propagación del sonido Tªfusión:3000ºC  Aislantes: Termicos (inhibidores de la convección) Acústicos Eléctricos  Desecante  Hidrofílicos e hidrofóbicos 5. Propiedades

48. 5. Propiedades

49. 6. APLICACIONES

50. 6. Aplicaciones • Adsorbente • Agentes espesantes • Material deportivo • Liberadores lentos de medicamentos en organismos • Supercondensadores (aerogeles carbón) • Catalizadores