Aerogel

L’aerogel è un materiale simile al gel a struttura porosa i cui spazi vuoti costituiscono circa il 99% del volume; è una miscela costituita da una sostanza allo stato solido e da un gas. L’aerogel è la sostanza solida meno densa conosciuta, ovvero la più leggera per metro cubo (solo tre volte più pesante dell’aria a parità di volume).

Gli aerogel sono utilizzati a partire dalla fine degli anni settanta in molteplici applicazioni, tra le quali: in aeronautica, l’isolamento termico e sonoro, in edilizia, vari applicazioni nell’isolamento e nelle strutture che consentono il passaggio della luce, nella ricerca in fisica per costruire rivelatori di particelle, per immagazzinare ossigeno e anche per catturare polvere spaziale (Programma Stardust). Il primo aerogel fu preparato per la prima volta nel 1931 dal chimico tedesco Samuel Steven Kistel, presso il College of the Pacific In Stockton, in California.

Proprietà generali degli aerogel

Aspetto

Al tatto, un aerogel si presenta come un solido secco semitrasparente (essendo costituito prevalentemente da aria). Assume colore azzurrognola semitrasparente su sfondo scuro, mentre colorazione biancastra su sfondo chiaro/luminoso; essa è dovuta allo scattering Rayleigh delle lunghezze d’onda minori dello spettro visibile da parte della sua struttura dendritica nanometrica.

Proprietà meccaniche

Sono caratterizzati da una certa rigidezza che può essere:

  • elastica a bassa pressione;
  • plastica per pressioni maggiori una certa soglia;
  • friabile e distruttiva a pressioni elevate (con una frantumazione simile a quella del vetro).

Possiede un’alta capacità di carico, dovuta alla sua microstruttura dendritica, nella quale particelle sferiche di dimensioni medie di 2-5 nm sono fuse insieme a formare un cluster. Questi cluster formano una struttura tridimensionale altamente porosa con catene a forma pressoché di frattale, con pori di dimensioni minori di 100 nm. La dimensione media e la densità dei pori può essere controllata durante il processo di produzione.

Proprietà termiche

Gli aerogel sono eccezionali isolanti termici. Sono dei buoni inibitori convettivi, questo perché l’aria non può circolare all’interno del reticolo (in cui è intrappolata). L’aerogel di silice è specialmente un buon isolante per la conduzione di calore grazie al fatto che la silice è uno scarso conduttore, d’altra parte un aerogel metallico avrà minori proprietà isolanti. L’aerogel di carbonio è un buon isolante dell’irraggiamento termico, in quanto il carbonio assorbe la luce infrarossa responsabile del trasferimento di calore. L’aerogel dalle maggiori proprietà isolanti è quello di silice addizionato di carbonio.

Proprietà igroscopiche

A causa della loro natura igroscopica, gli aerogel sono dei forti essiccanti. Gli aerogel per loro natura sono idrofili, ma i trattamenti chimici possono renderli idrofobi. Se assorbono umidità possono andare incontro a modificazioni strutturali, come la contrazione e il deterioramento, ma rendendoli idrofobi è possibile prevenire questa degradazione. Gli aerogel con la parte interna resa idrofoba sono meno suscettibili alla degradazione rispetto a quelli in cui è stato reso idrofobo solamente lo strato più esterno, persino nel caso in cui una crepa ne penetri la superficie. Inoltre i trattamenti idrofobizzanti favoriscono le lavorazioni successive consentendo l’uso del taglio ad acqua.

Proprietà acustiche

Grazie alla loro composizione, pari al 98÷99% di aria circa (a seconda della tipologia) gli aerogel sono buoni isolanti acustici sfruttando le stesse proprietà isolanti dell’aria.

Tipologie di aerogel

Gli aerogel si prestano a svariati impieghi, sia in campo industriale, che domestico, che sperimentale, per questo la ricerca della ingegneria dei materiali è sempre molto attiva; pertanto possiamo avere diverse tipologie di aerogel costituiti da materiali ed elementi diversi a seconda dello scopo e dell’applicazione che dovranno svolgere.

Aerogel di silice

È una tipologia di aerogel ottenuta dal gel di silice, composta dal 99,8% di aria e dal 0,2% di diossido di silicio. L’aerogel di silice assorbe fortemente la radiazione infrarossa. Sfruttando questa caratteristica è possibile costruire materiali per l’edilizia che lascino entrare la luce solare all’interno delle costruzioni assicurando però l’isolamento termico. Possiede una conducibilità termica estremamente bassa (da 0,03 W/mK a 0,004 W/mK), che gli conferisce eccellenti proprietà isolanti. Il suo punto di fusione è di 1200 °C.

Aerogel di allumina

Sono composti da ossido di alluminio e trovano utilizzo come catalizzatori, specialmente nel drogaggio di metalli con altri metalli. Sono anche utilizzati dalla NASA per la cattura di particelle iperveloci; una formulazione ottenuta dal drogaggio con gadolinio e terbio è in grado di generare fluorescenza nel sito di impatto della particella, con emissione di energia radiante dipendente dalla velocità di impatto. L’aerogel di nichel-allumina rappresenta la più comune combinazione.

Aerogel di carbonio

Sono composti da particelle di carbonio dell’ordine del nanometro, legate insieme covalentemente. Gli aerogel di carbonio possiedono porosità superiore al 50% (con pori di diametro inferiore ai 100 nm); hanno densità compresa all’incirca tra 0,25 g/cm3 (aerogel a bassa densità) e 0,8 g/cm3 (aerogel ad alta densità).

In relazione alla densità del contenuto di carbonio, questa tipologia di aerogel possono diventare conduttori elettrici, caratteristica che rende il foglio composito di aerogel utile per la produzione di elettrodi utilizzati ad esempio nei condensatori e supercondensatori. Gli aerogel di carbonio assorbono fortemente la radiazione infrarossa, riflettendo solamente lo 0,3% della radiazione compresa tra i 250 nm e 14,3 μm, rendendoli efficienti nell’immagazzinare l’energia solare.

SEAgel

Il SEAgel (Safe Emulsion Agar gel) è una schiuma solida a bassa densità altamente tecnologica, 100% biodegradabile, rientrante nella categoria di materiali noti come aerogel. È un eccellente isolante termico.

Viene prodotto utilizzando l’agar agar, un polisaccaride usato come gelificante naturale, ricavato da alghe rosse appartenenti a diversi generi (tra i quali Gelidium, Gracilaria, Gelidiella, Pterocladia, Sphaerococcus) e l’alga bruna kelp (Laminaria Japonica).

Durante la fase produttiva, inizialmente il SEAgel si presenza sotto forma di una miscela gelatinosa di acqua e agar. Una volta sottoposto a liofilizzazione per eliminare l’acqua, si ottiene una struttura a favo di agar secco inglobante aria, con diametro delle celle di 2÷3 μm. Trova applicazioni come materiale da bersaglio per esperimenti di laboratorio con laser a raggi X, per l’isolamento acustico, per l’imballaggio dei cibi o per la produzione di pillole a rilascio controllato. Il SEAgel è brevettato negli Stati Uniti con i nomi di: Biofoam e Biofoam II.

Calcogel

calcogel (metal chalcogenide aerogel) sono una tipologia di aerogel ottenuti dai calcogeni (elementi del gruppo dell’ossigeno come: zolfo, selenio, tellurio, ed altri elementi). Sono materiali semiconduttori; possono trovare applicazione in sensori chimici, celle solari e nella fotoelettrolisi dell’acqua.

Hanno la caratteristica di assorbire preferenzialmente i metalli pesanti, e si ritiene siano efficaci anche nel processo di desolforazione. Per tali ragioni la ricerca scientifica sta effettuando degli studi per trovare applicazioni nella depurazione e bonifica delle acque inquinate da sostanze quali: mercurio, piombo e cadmio. I calcogel possono essere preparati tramite tiolisi, oppure tramite condensazione di nanoparticelle a struttura cristallina.