Nel 1931, Kistler separò il liquido dal solido utilizzando una tecnica di essiccazione supercritica alcolica e impedì alla struttura del gas di restringersi e collassare, dando origine all'aerogel.
Definizione di Aerogel
L'aerogel è un materiale solido amorfo nanoporoso leggero con microparticelle su scala nanometrica aggregate tra loro per formare una struttura a rete porosa su scala nanometrica e riempita con un gran numero di mezzi di dispersione gassosa nello scheletro della rete.
Gli aerogel non sono solo un materiale funzionale, ma anche un nuovo stato della materia. Lo stato di aerogel è fondamentalmente diverso dagli altri stati della materia per molte proprietà. Ha dimensioni e forma fisse come la materia solida, ma la sua densità apparente può variare da un massimo di 1 g/cm³ a 0.001 g/cm³ (inferiore alla densità dell'aria); allo stesso tempo, ha una struttura porosa simile a una spugna, con molteplici proprietà microscopiche (scheletro su scala nanometrica), macroscopiche (materia condensata) e mesoscopiche (struttura multilivello e frattale), che conferiscono agli aerogel numerose proprietà uniche. Presenta una conduttività termica molto bassa, un modulo di elasticità molto basso, una frequenza fononica molto bassa, un indice di rifrazione molto basso, una bassa costante dielettrica, una velocità del suono molto bassa, un'elevata area superficiale specifica, un'ampia distribuzione di densità e indice di rifrazione, ecc.
Classificazione degli aerogel
Esiste un'ampia gamma di aerogel, che copre quasi tutti i sistemi materiali. Generalmente, in base alla composizione chimica, possono essere suddivisi in aerogel organici, aerogel inorganici e aerogel compositi, ecc. Gli aerogel possono anche essere classificati in sistemi di silicio, carbonio, zolfo, ossido metallico e metallo in base ai loro componenti principali.
Lo stato e il ruolo degli aerogel
Gli scienziati affermano che gli aerogel cambieranno il mondo.
L'aerogel è stato inserito tra i 10 argomenti scientifici e tecnologici più attuali nel 250° numero della rivista statunitense Science. Il 20 agosto 2007, il Times ha riportato che l'aerogel è il solido più leggero al mondo, in grado di resistere alla potenza esplosiva di 1 kg di dinamite e di proteggere dal calore di una fiamma ossidrica superiore a 1300 °C. Gli scienziati stanno esplorando l'uso dell'aerogel in ogni campo, dalle tute spaziali superisolanti ai supercondensatori, dai catalizzatori alla prossima generazione di racchette da tennis. L'aerogel promette di rivaleggiare con generazioni di materiali leggendari come la resina fenolica degli anni '1930, la fibra di carbonio degli anni '1980 e il silicone degli anni '1990.
L'aerogel è stato più volte inserito nel Guinness dei primati come il materiale solido più leggero al mondo. L'aerogel ha anche una conduttività termica e un indice di rifrazione molto bassi ed è 39 volte più isolante delle migliori fibre di vetro. L'aerogel è stato utilizzato per isolare termicamente la stazione spaziale russa Mir e il rover statunitense Mars Pathfinder, e ha già svolto un ruolo fondamentale nell'industria aerospaziale.
Storia dello sviluppo dell'aerogel
1931, gli aerogel furono preparati per la prima volta da Kistler presso la Stanford University, negli Stati Uniti.
Nel 1985, l'Istituto di Fisica dell'Università di Würzburg, in Germania, organizzò il primo simposio sugli aerogel, noto come ISA.
1993, gli aerogel vengono utilizzati per isolare tute spaziali, veicoli spaziali e navette spaziali.
Nel 2002 viene fondata Aspen Aerogel, un'azienda della NASA, per sviluppare e produrre aerogel.
2004, ricerca sull'aerogel condotta da istituti di ricerca cinesi.
Nel 2006, le aziende cinesi produttrici di aerogel hanno iniziato a svilupparli.
2017, Cina promulgata, GB/T 34336-201, Prodotti isolanti compositi in aerogel non poroso
Nel 2021, il Consiglio di Stato ha emanato il "Piano d'azione per raggiungere il picco delle emissioni di carbonio entro il 2023" per accelerare la ricerca e lo sviluppo di fibra di carbonio, aerogel, acciaio speciale e altri materiali di base.
Le proprietà chiave degli aerogel
(1) Ultraleggero. L'aerogel è il solido meno denso al mondo, con una densità minima pari a un sesto della massa dell'aria. L'intervallo di variazione della densità è generalmente compreso tra 0.001 e 1 g/cm³.
(2) Elevata porosità e elevata area superficiale specifica. La porosità è compresa tra l'80% e il 99.9%, l'area superficiale specifica è compresa tra 200 e 1000 m²/g e la dimensione tipica dei pori è compresa tra 2 e 1 nm.
(3) Super isolamento termico. La sottile struttura a nano-rete dell'aerogel limita efficacemente la propagazione dell'eccitazione termica locale e la sua conduttività termica allo stato solido è 2~3 ordini di grandezza inferiore a quella del corrispondente materiale vetroso.
Il principio dell'isolamento termico in aerogel
Trasferimento termico ridotto: L'infinito numero di nanoparticelle nell'aerogel forma uno scheletro a maglie e il calore può fluire solo lungo un numero infinito di nanoparticelle. Il flusso di calore può essere condotto solo lungo un numero infinito di nanoparticelle, con conseguente percorso di trasferimento di calore pressoché infinito nel solido. Il trasferimento di calore nel solido è ridotto al minimo possibile.
Inibizione della convezione termica : la dimensione media dei pori degli aerogel è di 20-40 nm, inferiore al raggio di movimento libero medio delle molecole di gas di 69 nm, e le molecole di gas nei pori perdono la capacità di muoversi liberamente, rendendo la convezione pressoché impossibile.
Riduzione della radiazione termica : le pareti dei pori formate dalle nanoparticelle negli aerogel fungono da schermi a infrarossi e l'infinito numero di schermi riduce notevolmente la radiazione termica.
(4) Catalisi. Le piccole dimensioni delle particelle, l'elevata superficie specifica e la bassa densità dell'aerogel rendono l'attività e la selettività dei catalizzatori in aerogel molto più elevate rispetto ai catalizzatori convenzionali, e i componenti attivi possono essere dispersi in modo molto uniforme nel vettore, oltre a presentare un'eccellente stabilità termica, che può ridurre efficacemente il verificarsi di reazioni collaterali.
(5) Isolamento acustico. Le proprietà di bassa velocità del suono degli aerogel li rendono un materiale ideale per il ritardo acustico o l'isolamento acustico ad alta temperatura. L'intervallo variabile di impedenza acustica dell'aerogel è ampio [103³ ~ 107³ kg/(㎡-s)], il che lo rende un materiale di accoppiamento della resistenza acustica più ideale per i rilevatori a ultrasuoni. La resistenza acustica delle ceramiche piezoelettriche utilizzate per generatori e rilevatori a ultrasuoni è 1.5×107³ kg/(㎡-s), mentre la resistenza acustica dell'aria è di soli 400 kg/(㎡-s). L'utilizzo di aerogel di silicio con uno spessore di 1/4 della lunghezza d'onda e una densità di circa 0.3 g/cm³ come materiale di accoppiamento della resistenza acustica tra ceramiche piezoelettriche e aria può aumentare l'intensità sonora di 30 dB, migliorare l'efficienza di trasmissione delle onde acustiche e ridurre il rapporto segnale/rumore nelle applicazioni dei dispositivi.
(6) Prestazioni di filtrazione. Gli aerogel nanostrutturati possono essere utilizzati anche come un nuovo tipo di materiale di filtrazione dei gas ad alta efficienza. Grazie alla loro superficie specifica eccezionalmente ampia, gli aerogel sono definiti dagli scienziati "super spugne" e sono ideali per assorbire gli inquinanti presenti nell'acqua, rimuovendo piombo e mercurio, il che li rende un materiale eccellente per affrontare i disastri ecologici.
(7) Proprietà ottiche. L'aerogel di SiO₂ puro è trasparente e incolore, e il suo indice di rifrazione (1.006~1.06) è molto vicino a quello dell'aria, il che significa che l'aerogel di SiO₂ non subisce quasi nessuna perdita di riflessione della luce incidente e può trasmettere efficacemente la luce solare. Pertanto, può essere utilizzato per realizzare vetri isolanti e fonoassorbenti.
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