miércoles, 25 de junio de 2008

De todo un poco…

El aerogel se crea mezclando cuatro compuestos químicos que reaccionan para formar un gel húmedo, similar a un postre de gelatina. El gel se seca luego en un autoclave, esencialmente una olla a presión que aplica presión y calor.

En el proyecto Stardust, el cual es un vehículo espacial que pesa350 kg. Es del tamaño de un escritorio típico, excepto por los paneles solares, que se extienden hasta varios pies de distancia desde sus extremos delantero y trasero. El aerogel se usara como medio de captura para recoger partículas interestelares y cometarias muy pequeñas, las cuales quedaran embebidas en el aerogel poroso. Dadas sus singulares propiedades físicas, el aerogel ha sido propuesto para una amplia variedad de aplicaciones, tales como aislamiento térmico y acústico, componentes ópticos, soportes y filtros catalíticos.

La micro estructura del aerogel es extremadamente porosa, de modo que parece una piedra pómez de cristal volcánico, o como una esponja seca muy fina, pero es mucho mas liviano que estos materiales.

El aerogel tiene un aspecto azul por la misma razón que el cielo tiene ese color. Las particulas muy pequenas que componen el aerogel dispersan la luz azul, de la misma manera que nuestra atmósfera. Análogamente, cuando se mira a través del aerogel, la luz se ve amarillenta o rojiza, igual que durante la salida o la puesta del sol.

El aerogel esta disponible comercialmente de varias compañías en cantidades limitadas. Es posible encontrarlas bastante fácilmente en Internet buscando la palabra clave "aerogel". El laboratorio de JPL solo produce aerogel especializado para vuelos espaciales.

El aerogel es relativamente caro, principalmente porque hoy en día se fabrica en cantidades muy limitadas. Si bien el aumento de la escala de la producción de aerogel reducirá el costo, el proceso básico y la materia prima siguen siendo caros. Para cantidades relativamente pequenas de aerogel, el costo es de alrededor de $1,00 por centímetro cúbico, comprado en cantidades de un litro.

Las inusuales características del aerogel se deben a su porosidad típica entre 95 y 99,5 por ciento. Dada su calidad de alta porosidad, se caracteriza por tener un área superficial extremadamente grande, alta resistividad térmica y acústica, baja constante dieléctrica y bajo índice de refracción. Existen otros materiales que exhiben propiedades similares, pero solo el aerogel tiene todas ellas.

El aerogel fue fabricado por primera vez en la década de 1930 por Samuel S. Kistler, que obtuvo varias patentes por la fabricación de una variedad de aerogel que incluye sílice, alumina, cromia, estaño y carbono.

Durante la producción del aerogel, se forma un gel húmedo que, cuando se seca, se llena de aire. De allí el nombre aerogel, que significa gel de aire.

El aerogel está constituido por cordones o fibras microscópicas conectadas que forman una red continua. Puesto que esta red llena el espacio y se sostiene a si misma, se considera un sólido.
El aerogel de sílice es semiplástico, puesto que vuelve a su forma original si se deforma levemente. Si se deforma aun mas, se crea una depresión y si se excede su limite elástico, se hace añicos catastróficamente, como el vidrio.

Orígenes del aerogel.

Un gran número de personas da por sentado que los aerogeles son productos recientes de la tecnología moderna. En realidad, los primeros aerogeles se prepararon en 1931. Por aquel entonces, Steven. S. Kistler del College of the Pacific de Stockton (California) consiguió demostrar que un «gel» contenía una red sólida y continua del mismo tamaño y forma que un gel húmedo. La forma más lógica de demostrar esta hipótesis consistía en extraer el líquido del gel húmedo sin dañar el componente sólido. Como suele ocurrir, esa forma lógica incluía muchos obstáculos. Si dejamos que un gel se seque por sí solo, éste encogería, a menudo hasta alcanzar una fracción de su tamaño original. Esta reducción de tamaño normalmente iba acompañada de un fuerte craquelado del gel. Kistler supuso, correctamente, que el componente sólido del gel era microporoso, y que el punto de contacto entre el líquido y el vapor del líquido en evaporación empleaba grandes fuerzas de tensión superficial que colapsaban la estructura del poro.
Kistler entonces descubrió el aspecto fundamental de la producción del aerogel:
«Obviamente, para producir un aerogel [Kistler acuñó este término], hay que reemplazar de algún modo el líquido por aire sin permitir que la superficie del líquido se pierda por el interior del gel. Si mantenemos el líquido bajo una presión siempre superior a la presión del vapor y aumentamos la temperatura, dicho líquido se convertirá, al alcanzar la temperatura crítica, en un gas sin que se den dos fases de manera simultánea» (S.S. Kistler, J. Phys. Chem. 34, 52, 1932).

Los primeros geles que estudió Kistler eran geles de sílice preparados mediante la condensación ácida de silicato de sodio acuoso. Sin embargo, los intentos de preparar aerogeles mediante la conversión del agua de estos geles en un fluido supercrítico no tuvieron éxito. En vez de formarse un aerogel de sílice, el agua supercrítica redisolvió la sílice, que después precipitó mientras se evaporaba el agua. Entonces se sabía que el agua de los geles acuosos se podía sustituir con líquidos orgánicos miscibles. Kistler lo intentó de nuevo, lavando bien los geles de sílice con agua (para retirar las sales del gel) y sustituyendo el agua por alcohol. Al convertir el alcohol en un fluido supercrítico y permitir su evaporación, se formaron los primeros verdaderos aerogeles. Los aerogeles de Kistler eran muy similares a los aerogeles de sílice que se preparan en la actualidad. Eran materiales transparentes, de baja densidad y muy porosos que despertaban un gran interés académico. Durante los años siguientes, Kistler caracterizó completamente los aerogeles de sílice y preparó aerogeles con muchos otros materiales, incluyendo alúmina, óxido de tungsteno, óxido de hierro, óxido de estaño, tartrato de níquel, celulosa, nitrato de celulosa, gelatina, agar-agar, albúmina de huevo y caucho.

Algunos años después Kistler abandonó el College of the Pacific y consiguió un puesto en la empresa Monsanto Corp. Monsanto comenzó a comercializar un producto conocido simplemente como «aerogel». El Aerogel de Monsanto era un material de sílice granular. Poco se sabe sobre las condiciones de procesamiento que se utilizaron para este material, pero se asume que su producción seguía los métodos de Kistler. El Aerogel de Monsanto fue utilizado como agente aditivo o tixotrópico en cosméticos y dentífricos. Durante las tres décadas siguientes se avanzó poco en el campo de los aerogeles. Al cabo del tiempo, en los años sesenta, el desarrollo de la económica sílice «ahumada» debilitó el comercio del aerogel, por lo que Monsanto dejó de producirlo.

Los aerogeles ya habían pasado a la historia cuando, a finales de los años setenta, el gobierno francés mantuvo contactos con Stanislaus Teichner de la Université Claude Bernard (Lyon) buscando un método para almacenar oxígeno y carburante de misiles dentro de materiales porosos. Hay una leyenda transmitida entre los investigadores pertenecientes a la comunidad de los aerogeles sobre lo que sucedió después. Teichner le confirió a uno de sus pupilos licenciados el trabajo de preparar y estudiar los aerogeles con el objetivo mencionado anteriormente. Sin embargo, siguiendo el método de Kistler, que incluía dos laboriosos y prolongados pasos de intercambio de solvente, se necesitaron varias semanas para preparar el primer aerogel. Teichner le comunicó a su pupilo que necesitaría un gran número de muestras de aerogel para completar su trabajo. Al comprobar que para llevar a cabo tal tarea, necesitaría muchos, muchos años, el estudiante abandonó el laboratorio de Teichner sufriendo un ataque de nervios. Cuando regresó al laboratorio después de un descanso tenía una gran motivación por descubrir un mejor proceso sintético. El resultado fue uno de los mayores avances dentro de la ciencia del aerogel, concretamente en cuanto a la aplicación de la química sol-gel en la preparación del aerogel de sílice. Este proceso reemplazó el silicato de sodio que utilizaba Kistler por un alcoxilo (tetrametilortosilicato, TMOS). Al hidrolizar TMOS en una solución de metanol se producía un gel en sólo un paso (denominado «alcogel»). Con ello se eliminaron dos de los inconvenientes del método de Kistler, más concretamente, el paso del intercambio de agua por alcohol y la presencia de sales inorgánicas en el gel. Al secar los alcogeles bajo unas condiciones de alcohol supercrítico se produjeron aerogeles de sílice de calidad óptima. Durante los años siguientes, el grupo de trabajo de Teichner y otros investigadores utilizaron este método para preparar otros aerogeles de gran variedad con óxidos metalicos.

Tras este descubrimiento los avances dentro del campo de los aerogeles se sucedieron de forma rápida a medida que aumentaba el número de investigadores en la materia. Algunos de los logros notables son:
Durante la primera mitad de los años ochenta los investigadores de física de partículas se dieron cuenta de que los aerogeles de sílice serían un medio ideal para la producción y la detección de la radiación de Cherenkov. Para realizar estos experimentos se necesitaban grandes losas transparentes de aerogel de sílice. Utilizando el método del TMOS, se fabricaron dos detectores de gran tamaño. Uno utilizaba 1700 litros de aerogel de sílice en el detector TASSO de la Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY) de Hamburgo y otro en CERN utilizaba 1000 litros de aerogel de sílice preparado en la Universidad de Lund de Suecia.

La primera planta piloto para la producción de bloques de aerogel de sílice que utilizaba el método del TMOS fue establecida por miembros del grupo Lund de Sjobo (Suecia). Dicha planta incluía una autoclave diseñada para soportar las altas presiones y temperaturas que se dan con el metanol supercrítico (240ºC y 80 atmósferas). No obstante, en 1984 la autoclave desarrolló un escape durante una secuencia de producción. La habitación donde se encontraba el recipiente se llenó rápidamente de vapores de metanol y posteriormente explotó. Afortunadamente no hubo que lamentar víctimas mortales, aunque las instalaciones quedaron totalmente destrozadas. La planta se volvió a construir y aún hoy en día produce aerogeles de sílice utilizando el proceso del TMOS. La planta es controlada en la actualidad por Airglass Corp.

En 1983 Arlon Hunt y el Microstructured Materials Group del Laboratorio de Berkeley (California) descubrieron que el compuesto TMOS, muy tóxico, podría sustituirse con tetraetilortosilicato (TEOS), que es un reactivo mucho más seguro. La calidad de producción de los aerogeles no disminuyó.

Al mismo tiempo el Microstructured Materials Group del Laboratorio de Berkeley descubrió que el alcohol del interior del gel podría reemplazarse por dióxido de carbono líquido antes de llevarse a cabo el secado supercrítico sin dañar el aerogel. Este hecho significaba un avance importante en cuanto a la seguridad, ya que el punto crítico del CO2 (31ºC y 1050psi) tiene lugar bajo unas condiciones mucho menos agudas que el punto crítico del metanol (240ºC y 1600psi). Además, a diferencia del alcohol, el dióxido de carbono no representa ningún peligro de explosión. Este proceso se utilizó por primera vez para producir placas de aerogel de sílice transparente a partir de TEOS.

La empresa alemana BASF desarrolló simultáneamente métodos de sustitución de CO2 para la preparación de perlas de aerogel a partir de silicato de sodio. Este material se ha estado produciendo hasta 1996 con el nombre comercial de «BASOGEL».

En 1985 el Catedrático Jochen Fricke organizó el primer Simposio Internacional sobre Aerogeles (ISA) en Würzburg (Alemania). En esta conferencia científicos de todo el mundo presentaron hasta un total de 25 ponencias. Se celebraron posteriores ISAs en los años 1988 en Montpellier (Francia), 1991 en Würzburg, y 1994 en Berkeley (California). La cuarta ISA estableció un récord de asistencia con 151 participantes, 10 ponencias invitadas, 51 ponencias de contribución y 35 exposiciones de cartel. La quinta ISA se celebró recientemente en Montpellier y contó con casi 200 asistentes.

A finales de los años ochenta científicos del Laboratorio Internacional de Lawrence Livermore (LLNL) dirigidos por Larry Hrubesh prepararon el aerogel de sílice de menor densidad del mundo (y el material sólido de menor densidad). Dicho aerogel tenía una densidad de 0,003g/cm3, sólo tres veces mayor que la del aire.

Poco después, Rick Pekala, miembro también del LLNL, siguiendo las técnicas utilizadas para preparar aerogeles inorgánicos, preparó aerogeles de polímeros orgánicos. Entre éstos estaban los aerogeles de resorcinol-formaldehido y de melamina-formaldehido. Los aerogeles de resorcinol-formaldehido se podían pirolizar para producir aerogeles de carbón puro. Este hecho abrió nuevas expectativas dentro de la investigación del aerogel.

Thermalux, L.P. fue fundada en 1989 por Arlon Hunt, y por otros colaboradores, en Richmond (California). Thermalux operaba una autoclave de 300 litros para la producción de bloques de aerogel de sílice a partir de TEOS utilizando el proceso de sustitución del dióxido de carbono. Thermalux preparó una gran cantidad de aerogeles, pero, desafortunadamente, dejó de funcionar en 1992.

El aerogel de sílice, preparado en el Jet Propulsion Laboratory (Laboratorio de Propulsión a Chorro), ha ido a bordo del Space Shuttle en varias misiones. En estos vuelos se utiliza el aerogel de muy baja densidad para recoger y traer a la tierra muestras de polvo cósmico de alta velocidad.

Investigadores de la University of New Mexico, dirigidos por C. Jeff Brinker y por Doug Smith, y de otras instituciones cada vez están más cerca de eliminar el paso de secado supercrítico utilizado en la producción de aerogel mediante la modificación química de la superficie del gel previa al secado. Esta investigación tuvo como consecuencia la fundación de Nanopore para comercializar aerogeles de bajo coste.
En 1992, Hoechst Corp. también inició en Francfort un programa de aerogeles granulares de bajo coste.

En 1994, la Aerojet Corp. inició en Sacramento (California) un proyecto cooperativo con el Laboratorio de Berkeley, el LLNL y otros para comercializar los aerogeles utilizando el proceso de sustitución del dióxido de carbono. Aerojet consiguió la autoclave de 300 litros antiguamente controlada por Thermalux, produciendo así varias formas de aerogeles de sílice de resorcinol-formaldehido y de carbono. Sin embargo, abandonaron el programa en 1996.

Cada vez es mayor el número de investigaciones y desarrollos, por lo que, en un futuro muy cercano, seguramente habrá muchas más aplicaciones y avances en la tecnología de los aerogeles.

jueves, 8 de mayo de 2008

Aplicaciones.

El aerogel tiene muchas aplicaciones comerciales, aunque principalmente ha sido utilizado como aislante érmico en las ventanas de los edificios de oficinas, en las que sus propiedades son utilizadas para evitar la pérdida de calor o frío.

Su aspecto es fantasmagórico y tiene una resistencia considerable ya que soporta más de 1000 veces su peso.

El uso más obvio de los aerogeles es como aislante térmico ultraligero para estructuras aéreas, lo que permitiría a estas flotar indefinidamente en el aire. El pabellón de los Estados Unidos en la Feria Universal de Montreal es una cúpula geodésica tan ligera, que una diferencia de temperatura entre el aire del interior con el exterior la haría flotar. El gran problema de crear y conservar esta diferencia en una esfera de treinta y tantos metros de diámetro se resuelve con un aerogel traslúcido que no permite la fuga de calor y sí la entrada de radiación solar, como un cristal, con lo que se aumenta la flotación indefinidamente mientras le dé el Sol, y dada la ligereza del material de la "piel" de la cubierta sería masa de flotación en vez de peso. Incrementando el diferencial de temperatura interior exterior al elevarse en la atmósfera un ejemplo partiendo desde un punto cálido en la superficie y elevándolos hasta los ocho mil metros tendríamos diferencias de temperatura de 80 ºC. Una estructura así flotaría y produciría un excedente de energía útil inagotable.

El aerogel puede servir como parachoques de automóviles, pues amortigua los golpes en un 89% de intensidad

miércoles, 7 de mayo de 2008

Propiedad aislante.




La flor no se consume
sobre el fuego de la
antorcha debido a las
propiedades
aislantes
del aerogel.

El aerogel

Es una substancia similar al gel, en el cual el componente líquido es cambiado por un gas, obteniendo como resultado un sólido de muy baja densidad (3 mg/cm3 ó 3 kg/m3) y altamente poroso, con ciertas propiedades muy sorprendentes, como su enorme capacidad de aislante térmico.
Este material está generalmente compuesto por un 90% a un 99,8% de aire, es mil veces menos denso que el vidrio y unas tres veces más denso que el aire. Familiarmente se le denomina humo helado, humo sólido o humo azul debido a su naturaleza semi-transparente, sin embargo, tiene al tacto una consistencia similar a la espuma, o foamy.
Posee un índice de refracción de 1,0, muy bajo para un sólido. La velocidad del sonido a través de él es muy baja, 100 m/s.