Aerogel: Il solido composto d’aria

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L’aerogel è una miscela simile al gel costituita da una sostanza allo stato solido e un gas. Di per sé la sostanza è una schiuma solida dalle molte proprietà particolari, la più importante delle quali è l’efficacia nell’isolare. Viene soprannominato fumo ghiacciato, fumo solido o fumo blu per la sua trasparenza.

L’aerogel è un materiale dalle straordinarie qualità ma, purtroppo, non è stato sin da subito valorizzato. Il suo utilizzo e la sua diffusione furono ritardate dal periodo storico, da problemi strettamente tecnici e ragioni di tipo economico. Un passato al dir poco burrascoso… ma ad oggi questa sostanza viene utilizzata addirittura nelle missioni spaziali !

Aerogel
Aerogel

La nascita dell’Aerogel e le sue promettenti qualità

Molti testi riportano che l’aerogel sia nato da una scommessa tra Samuel Kistler e Charles Learned, 2 colleghi del College of the Pacific (in California), avrebbe vinto chi dei due avesse scambiato per primo il liquido di una “gelatina” con del gas senza causarne il collasso. Kistler vinse la sfida nell’anno 1931, e produsse così il primo aerogel della storia. Questo materiale fu realizzato a base di silice, SiO2, la stessa molecola che compone tanti altri oggetti come il vetro e il quarzo, sebbene sia disposta presente in quantità e modi differenti.

Struttura e composizione

Definendo più accuratamente l’aerogel, secondo la definizione IUPAC è “un gel costituito da un solido microporoso in cui la fase dispersa è un gas”; questo spiega perché sia possibile guardarvi attraverso.

Infatti, l’aerogel è la sostanza solida meno densa conosciuta, ovvero la più leggera per metro cubo; è composta dal 99,8% di aria e dal 0,2% di diossido di silicio (silice), il principale componente del vetro. L’aerogel è 1000 volte meno denso del vetro, 3 volte più pesante dell’aria, sopporta altissime temperature ed è un buon isolante termico.

L’aerogel è quindi uno dei materiali meno densi che siano stati mai creati (con densità minime di 0.001 g/cm3) e ha detenuto questo record per molto tempo (fin quando nel 2015 il metallo più leggero del mondo gli ha tolto il primato, prima di riappropriarsi del titolo nel 2018  sebbene sotto altre vesti: l’aerografene, denso 0.5 mg/cm3).

Un’altra caratteristica sorprendente è l’area della sua superficie esposta per unità di massa (contano anche i ripiegamenti dei pori interni): sono state ottenute aree di ben 900 m2/g. Per dare un’idea, prendendo un aerogel che pesa solo 1 grammo, se si stendessero tutti i pori interni su un piano si potrebbero ricoprire quattro campi da tennis! Nonostante sia così leggero, può sopportare fino a 4000 volte il suo stesso peso (anche se bisogna appoggiare con cautela l’oggetto pesante, altrimenti l’aerogel si frantumerà, essendo tuttavia un materiale molto fragile).

Tutte queste proprietà derivano dalla struttura interna dell’aerogel, molto simile a quella di una spugna, formata da tanti pori aperti.

Per visualizzarla nella propria mente, immaginatevi dei tubi, i cui diametri sono dell’ordine di poche decine di nanometri (un miliardesimo di metro), con dei buchi lungo le superfici che li connettono ad altri tubi, rendendoli interconnessi tra loro.

Aerogel
Aerogel

Proprietà chimico-fisiche

Tale struttura conferisce al materiale un’eccellente capacità di isolamento termico (e sonoro). Il fenomeno associato, che prende il nome di effetto Knudsen, consiste nell’ostacolare il movimento delle molecole di aria calda proprio grazie alla disposizione “spugnosa” dei suoi pori, diminuendo il libero cammino medio (ovvero la distanza che possono compiere senza urti) e facendole urtare perennemente contro le pareti perdendo la loro energia termica.

In questo modo, dunque, le molecole non hanno la possibilità di passare da una parte all’altra dell’aerogel impedendo al calore di essere trasmesso. Questo lo rende un isolante termico migliore dell’aria. Inoltre, un aerogel di silice è completamente trasparente quando posto contro uno sfondo luminoso, ma presenta un colore bluastro se viene invece posto contro uno sfondo colorato: questo comportamento è dovuto all’interazione tra la luce e le particelle che compongono l’aerogel stesso.

La luce proveniente dal Sole e che arriva sulla Terra è un insieme di onde elettromagnetiche caratterizzate ciascuna da una lunghezza d’onda diversa, spaziando dall’ultravioletto passando per il visibile fino all’infrarosso. Quando incide sull’aerogel, le lunghezze d’onda che sono di dimensioni fino a 10 volte quelle delle microstrutture del solido vengono diffuse in tutte le direzioni. Essendo le dimensioni caratteristiche dei pori dell’aerogel, come detto prima, di qualche decina di nanometri, e la lunghezza d’onda del blu di 380 nm, il rapporto è verificato e quindi il blu viene diffuso ed è il colore che si osserva. Questo fenomeno, noto come Rayleigh scattering, spiega anche perché il cielo è blu e, in certi giorni, la luna è rossa.

Aerogel
La struttura microscopica di un aerogel è un reticolo con pori dell’ordine delle decine di nanometri.

Esordio della sostanza

L’esordio dell’aerogel fu ostacolato da diversi fattori e condizioni, prima fra tutte fu il periodo, infatti, nello stesso anno in cui Kistler pubblicò il suo articolo sulla sua sensazionale scoperta, lo scienziato premio Nobel William Bragg scoprì la diffrazione dei cristalli (tecnica che rivoluzionò il campo e che viene tuttora utilizzata per studiare la struttura microscopica dei cristalli) e un altro fisico, E. Ruska, inventò il microscopio elettronico (anch’esso presente in ogni laboratorio di ricerca che si rispetti); l’altra ragione fu che il metodo di produzione dell’aerogel era molto dispendioso, richiedeva tempi molto lunghi e impiegava composti alquanto tossici (come per esempio l’acido cloridrico).

La combinazione di queste 2 cause fondamentali comportò ad un tutt’altro che lieve ritardo nella produzione e diffusione della nuova sostanza. L’aerogel trovò impiego, ma non per le sue fantastiche caratteristiche isolanti che furono invece messe da parte e venne invece venduto come componente di inchiostri e vernici, nei quali veniva sfruttato per la sua capacità ottica, prima descritta, nel disperdere la luce e conferire un aspetto opaco; un altro impiego che si trovò fu quello di addensante da inserire nelle pomate per curare le pecore colpite da miasi o nella gelatina delle bombe al napalm.

L’aerogel comincia a diffondersi

Un progresso si ebbe negli anni ’70, quando il governo francese chiese al gruppo di ricerca diretto dal professor S. Teichner, dell’Università di Claude Bernard, di produrre un materiale poroso per depositarvi combustibile liquido.

Teichner decise di utilizzare proprio l’aerogel e chiese al suo dottorando di produrre una serie di campioni per poter effettuare più test.

Tuttavia, lo studente presto si accorse che per produrne soltanto uno gli ci vollero settimane, e che se avesse continuato con quel ritmo non sarebbe mai riuscito a terminare in tempo. La disperazione, però, lo spinse a escogitare un nuovo metodo per produrre aerogel molto più velocemente, utilizzando sostanze a base di alcol (meno pericoloso dell’acido cloridrico) e seguendo una procedura che gli permise di ridurre notevolmente i tempi di produzione, arrivando a poche ore per campione.

Questo metodo di produzione, utilizzato ancora tutt’oggi, è definito “sol-gel”. Oltre a questo avanzamento legato al processo di produzione, ci fu un notevole aumento d’interesse in questo materiale, grazie a un gruppo di fisici del CERN che lo utilizzò per studiare alcune particelle subatomiche che, in opportune condizioni, rilasciano la cosiddetta radiazione Čerenkov.

Grazie a tali avvenimenti, la fama dell’aerogel si diffuse fino ad essere utilizzato in esperimenti di punta.

Il detector per la radiazione Čherenkov è stato realizzato in aerogel ad alta densità, per identificare particelle cariche ad alta velocità.

L’aerogel arriva nello spazio

In seguito ad essere stato utilizzato in ambienti di ricerca prestigiosi come ad esempio quello del CERN, l’aerogel raggiunse la vetta del suo successo alla fine degli anni ’90, quando venne utilizzato dalla NASA.

  La sostanza trovò impiego come isolante termico per veicoli aerospaziali, anche grazie alla sua estrema leggerezza che consentiva di minimizzare il peso dei veicoli, molto importante per vincere l’attrazione gravitazionale durante il lancio in orbita.

Tuttavia,il più grande successo ottenuto dal suo impiego riguardò la polvere di stelle. Erano molti anni che si cercava di comprendere l’esatta composizione delle stelle cadenti, di cui si avevano in realtà poche informazioni ottenute dall’analisi delle meteoriti, ossia frammenti staccatisi dalla stella e atterrati sulla Terra, dopo aver attraversato l’atmosfera e sostenendo quindi temperature estremamente elevate, che inevitabilmente ne modificano la composizione chimica.

Gli scienziati immaginarono allora di raccogliere la polvere di stelle direttamente nello spazio, preservandola in tal modo da tutte le grosse modificazioni che avrebbe subito attraversando l’atmosfera e per farlo scelsero proprio l’aerogel, che aveva dimostrato di poter resistere a condizioni estreme.

Inoltre, l’aerogel è risultato il più idoneo anche grazie alla sua struttura microporosa. Il motivo riguarda la velocità del corpo da frenare: immaginate di frenare tutto d’un colpo un frammento di stella, che può viaggiare a velocità medie pari a 180’000 km/h, il senso comune ci direbbe che qualunque materiale esso sia, verrebbe fortemente danneggiato dall’impatto, danneggiando anche il frammento stesso. Invece, con una struttura molto sviluppata internamente, il frammento può essere rallentato gradualmente con una serie di impatti di minore portata con le superfici dell’aerogel. Alla fine degli anni ’90, dunque, l’aerogel venne montato sulla sonda Stardust che venne lanciata con l’obiettivo di catturare polvere stellare dallo spazio profondo e dalla cometa Wild 2.

Aerogel
Aerogel

Come viene realizzato l’aerogel

L’aerogel di silice è prodotto per disidratazione di un gel composto da silice colloidale in condizioni estreme di pressione e temperatura. Il processo inizia mescolando con un alcol liquido quale l’etanolo un precursore Si(OR)4 che porta alla formazione di gel di silice (sol-gel).

Quindi, sfruttando un processo definito essiccamento supercritico, l’alcol è rimosso dal gel. Ciò si realizza utilizzando acetone, che solubilizza l’etanolo per poi essere entrambi rimossi dalla CO2 supercritica. Una variante di questo processo implica l’iniezione diretta del diossido di carbonio supercritico nel recipiente pressurizzato in cui è posto l’aerogel. Il risultato finale consiste nella rimozione di tutta la fase liquida dal gel che viene rimpiazzata da gas, senza permettere all’intera struttura del gel un collasso o una diminuzione del proprio volume.

Essiccamento supercritico , noto anche come punto critico di essiccamento , è un processo di rimozione del liquido in modo preciso e controllato. È utile nella produzione di sistemi microelettromeccanici, per l’essiccazione della spezie , la produzione di aerogel , la decaffeinizzazione del caffè e nella preparazione di campioni biologici per la microscopia elettronica a scansione.

Sono stati prodotti aerogel compositi utilizzando una varietà di materiali. La fibra di vetro è stata utilizzata per rinforzare aerogel compositi conferendogli migliori proprietà meccaniche.

Gli aerogel resorcinolo-formaldeide sono prodotti in modo simile all’aerogel di silice.

Altri tipi di Aerogel

Ad oggi sono ancora in corso ricerche relative a questo materiale. Una classe che sta attirando molto interesse è l’x-aerogel, composto da polimeri anziché silice, che rendono l’aerogel flessibile e pieghevole. Questa nuova proprietà apre innumerevoli porte per nuovi campi d’applicazione, specialmente in quelli in cui è richiesta una certa elasticità come per esempio l’abbigliamento. Infatti, da questo materiale si possono ricavare le coperte più calde, o cappotti ultra-sottili per sciare o addirittura gli stivali termici.

Un altro campo d’applicazione molto importante sono le telecomunicazioni: infatti, sono stati sviluppati degli aerogel a base di poliimmide, un polimero contenente azoto (N) e doppi legami carbonio-ossigeno (C=O). Essendo fatto di polimeri è molto più resistente e flessibile, come già detto, a differenza del classico aerogel che invece ha il grosso svantaggio di essere fragile e di sgretolarsi in tanti piccoli pezzi.

L’aerogel a base di poliimmide lo si potrebbe impiegare come materiale per le antenne, in quanto la loro struttura molto porosa  porta ad avere una costante dielettrica molto bassa (pari a 1.2, molto vicina a quella del vuoto che è 1) e dunque si fa attraversare dalla radiazione elettromagnetica molto facilmente. Un altro tipo di aerogel in fase di sperimentazione è il succitato aerografene, impiegato soprattutto in un nuovo tipo di batterie al solfuro di litio.

Quest’ultimo tipo di aerogel è stato prodotto anche mediante l’utilizzo della stampante 3D, eseguendo successivamente l’essiccazione supercritica. Il vantaggio sta nel poter realizzare delle batterie che si impregnino sufficientemente del liquido solfuro di litio per poter operare, ma che al contempo garantiscano una durata della batteria superiore per unità di peso. Inoltre utilizzare batterie al solfuro di litio ha l’altro vantaggio di non contenere fluoruri (come nel caso delle batterie al litio), tossici per l’ambiente.

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