Em 1931, Kistler separou o líquido do sólido usando uma técnica de secagem supercrítica alcoólica e evitou que a estrutura do gás encolhesse e entrasse em colapso, resultando no aerogel no mundo.
Definição de Aerogel
O aerogel é um material sólido amorfo nanoporoso e leve, com micropartículas em escala nanométrica agregadas entre si para formar uma estrutura de rede porosa em escala nanométrica e preenchida com um grande número de meios de dispersão gasosos no esqueleto da rede.
Os aerogéis não são apenas um material funcional, mas também um novo estado da matéria. O estado do aerogel é fundamentalmente diferente de outros estados da matéria em muitas propriedades. Ele tem tamanho e forma fixos, como a matéria sólida, mas sua densidade aparente pode variar de no máximo 1 g/cm³ a 0.001 g/cm³ (menor que a densidade do ar); ao mesmo tempo, possui uma estrutura porosa semelhante a uma esponja, com múltiplas propriedades microscópicas (esqueleto em nanoescala), macroscópicas (matéria condensada) e mesoscópicas (estrutura fractal e de múltiplos níveis), o que faz com que os aerogéis possuam muitas propriedades únicas. Ele exibe condutividade térmica muito baixa, módulo de elasticidade muito baixo, taxa de fônons muito baixa, índice de refração muito baixo, constante dielétrica baixa, velocidade do som muito baixa, alta área de superfície específica, densidade e distribuição de índice de refração muito amplas, etc.
Classificação de aerogéis
Existe uma ampla gama de aerogéis, abrangendo quase todos os sistemas de materiais. Geralmente, de acordo com a composição química, eles podem ser divididos em aerogéis orgânicos, aerogéis inorgânicos e aerogéis compostos, etc. Os aerogéis também podem ser classificados em sistemas de silício, carbono, enxofre, óxido metálico e metálicos, de acordo com seus principais componentes.
O status e o papel dos aerogéis
Cientistas dizem que os aerogéis mudarão o mundo.
O aerogel foi listado como um dos 10 principais temas de ciência e tecnologia na 250ª edição da revista americana Science. Em 20 de agosto de 2007, o The Times noticiou que o aerogel é o sólido mais leve do mundo, capaz de suportar o poder explosivo de 1 kg de dinamite e mantê-lo longe do calor de um maçarico acima de 1300 °C. Cientistas estão explorando o uso do aerogel em tudo, desde trajes espaciais superisolados a supercapacitores, catalisadores e a próxima geração de raquetes de tênis. O aerogel promete rivalizar com gerações de materiais lendários, como a resina fenólica da década de 1930, a fibra de carbono da década de 1980 e o silicone da década de 1990.
O aerogel foi listado diversas vezes no Guinness Book como o sólido mais leve do mundo. Além disso, possui condutividade térmica e índice de refração muito baixos, sendo 39 vezes mais isolante do que as melhores fibras de vidro. O aerogel foi usado para isolar termicamente a estação espacial russa Mir e o rover americano Mars Pathfinder, e já desempenhou um papel vital na indústria aeroespacial.
História do desenvolvimento do aerogel
1931, os aerogéis foram preparados pela primeira vez por Kistler na Universidade de Stanford, EUA.
Em 1985, o primeiro simpósio sobre aerogéis, conhecido como ISA, foi organizado pelo Instituto de Física da Universidade de Würzburg, na Alemanha.
1993, aerogéis são usados para isolar trajes espaciais, naves espaciais e ônibus espaciais.
Em 2002, a Aspen Aerogel, uma empresa da NASA, foi criada para desenvolver e produzir aerogéis.
2004, pesquisa de aerogel conduzida por institutos de pesquisa chineses.
Em 2006, empresas nacionais de aerogéis na China começaram a desenvolver aerogéis.
2017, China promulgou, GB/T 34336-201, Produtos de isolamento composto de aerogel não poroso
Em 2021, o Conselho de Estado emitiu o “Plano de Ação para que o Carbono Atinja o Pico até 2023” para acelerar a pesquisa e o desenvolvimento de fibra de carbono, aerogel, aço especial e outros materiais básicos.
As principais propriedades dos aerogéis
(1) Ultraleve. O aerogel é o sólido menos denso do mundo, com uma densidade mínima de um sexto da massa do ar. A faixa de variação de densidade é geralmente de 0.001 a 1 g/cm³.
(2) Alta porosidade e alta área superficial específica. A porosidade é de 80% a 99.9%, a área superficial específica é de 200 a 1000 m²/g e o tamanho típico dos poros é de 2 a 1 nm.
(3) Superisolamento térmico. A estrutura fina de nanorrede do aerogel limita efetivamente a propagação da excitação térmica local, e sua condutividade térmica em estado sólido é 2 a 3 ordens de magnitude menor do que a do material vítreo correspondente.
O princípio do isolamento térmico do aerogel
Transferência térmica reduzida: O número infinito de nanopartículas no aerogel forma um esqueleto de malha, e o calor só pode fluir por um número infinito de nanopartículas. O fluxo de calor só pode ser conduzido por um número infinito de nanopartículas, resultando em um caminho quase infinito de transferência de calor no sólido. A transferência de calor no sólido é reduzida ao nível mais baixo possível.
Inibição da convecção térmica : O tamanho médio dos poros dos aerogéis é de 20 a 40 nm, o que é menor do que o livre alcance médio das moléculas de gás, de 69 nm, e as moléculas de gás nos poros perdem a capacidade de se mover livremente, tornando a convecção quase impossível.
Redução da radiação térmica : As paredes dos poros formadas pelas nanopartículas nos aerogéis atuam como escudos infravermelhos, e a infinidade de camadas de proteção reduz significativamente a radiação térmica.
(4) Catálise. O pequeno tamanho de partícula, a alta área superficial específica e a baixa densidade do aerogel tornam a atividade e a seletividade dos catalisadores de aerogel muito maiores do que os catalisadores convencionais, e os componentes ativos podem ser dispersos de forma muito uniforme no transportador, além de apresentarem excelente estabilidade térmica, o que pode reduzir efetivamente a ocorrência de reações colaterais.
(5) Isolamento acústico. As propriedades de baixa velocidade do som dos aerogéis os tornam um material ideal para retardo acústico ou isolamento acústico em altas temperaturas. A faixa variável de impedância acústica do aerogel é ampla [103 ~ 107 kg/(㎡-s)], sendo um material de acoplamento de resistência acústica mais ideal para detectores ultrassônicos. A resistência acústica das cerâmicas piezoelétricas utilizadas em geradores e detectores ultrassônicos é de 1.5 × 107 kg/(㎡-s), enquanto a resistência acústica do ar é de apenas 400 kg/(㎡-s). O uso de aerogel de silício com espessura de 1/4 do comprimento de onda e densidade de cerca de 0.3 g/cm³ como material de acoplamento de resistência acústica entre as cerâmicas piezoelétricas e o ar pode aumentar a intensidade sonora em 30 dB, melhorar a eficiência de transmissão das ondas acústicas e reduzir a relação sinal-ruído em aplicações de dispositivos.
(6) Desempenho de filtragem. Aerogéis nanoestruturados também podem ser usados como um novo tipo de material de filtragem de gases altamente eficiente. Devido à sua área de superfície específica excepcionalmente grande, os aerogéis são chamados pelos cientistas de "superesponjas" e são ideais para adsorver poluentes na água, sugando chumbo e mercúrio da água, tornando-os um excelente material para lidar com desastres ecológicos.
(7) Propriedades ópticas. O aerogel de SiO₂ puro é transparente e incolor, e seu índice de refração (1.006 a 1.06) é muito próximo ao do ar, o que significa que o aerogel de SiO₂ praticamente não apresenta perda de reflexão à luz incidente e pode transmitir a luz solar com eficácia. Portanto, pode ser usado para fabricar vidros isolantes e redutores de ruído.
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