miércoles, 25 de junio de 2008

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.

2 comentarios:

Unknown dijo...

Estimada Rosario:
Felicitaciones por tan buena investigacion y por ponerla en lenguaje tan entendible.

Donde puedo encontrar el estado del arte actual para la fabricacion de areogeles?

Gracias de antemano.

Anónimo dijo...

Datos de correo electrónico de contacto del señor pedro, pedroloanss@gmail.com. eso me ayudó con un préstamo de 200.000,00 euros para poner en marcha mi negocio y estoy muy agradecido, fue muy duro para mí intentar abrirme camino como madre soltera las cosas no han sido fáciles para mí pero con la ayuda del sr. pedro Pon una sonrisa en mi cara mientras veo que mi negocio se fortalece y se expande también. Sé que puede que se sorprenda de por qué puse cosas como esta aquí, pero realmente tengo que expresar mi gratitud para que cualquier persona que busque ayuda financiera o que esté pasando por dificultades con su negocio o quiera iniciar un proyecto comercial pueda ver esto y tener la esperanza de salir de las dificultades .. gracias.