AEROGEL
Zuriñe Miguel García
Belén Cabañas de Paz
ÍNDICE





1. Introducción
2. Estructura y composición

2.1. Formación de dendrímeros
3. Síntesis
4.Tipos

4.1. Aerogeles de sílice

4.2. Aerogeles de alúmina

4.3. Aerogeles de carbón
5. Propiedades

5.1. Propiedades mecánicas

5.2. Propiedades ópticas

5.3. Propiedades físicas

6. Aplicaciones

7. Bibliografía
1. INTRODUCCIÓN
1. Introducción



Es un sólido derivado del gel.
En el gel el líquido se reemplaza por gas
dando un sólido de muy baja densidad.
Magnífico poder aislante



Térmico
Acústico
Eléctrico
1. Introducción

Debido a su apariencia nebulosa y
semitransparente también se llama humo sólido,
humo helado o humo azul.

Al tacto tiene una apariencia espumosa.

Pueden estar hechos de diversos materiales:





Sílice
Alumina
Cromo
Óxido de titanio
Carbón (los primeros que se desarrollaron)
2.
ESTRUCTURA Y
COMPOSICIÓN
2. Estructura y composición



Materiales sólidos (a pesar de su
apariencia)
Estructura entrecruzada (amorfa)
Son secos y no tienen propiedades
de gel
2. Estructura y composición



Composición: dióxido de silicio
(arena, igual que el vidrio)
Son 100 veces menos densos que el
cristal, ya que aproximadamente el
99% de su estructura es aire
Densidad = 0.003g/cm3
2. Estructura y composición



Tienen una estructura dendrítica
Las partículas, de un tamaño
aproximado de 2-5nm se agrupan
en grandes clusters
Estos clusters forman una red
tridimensional con una estructura
extremadamente porosa
2. Estructura y composición


Los poros tienen un tamaño inferior
a 100nm
El tamaño medio y la densidad de
poros pueden ser controlados
durante la síntesis del material
2. Estructura y composición


La estructura está constituida por
cordones o fibras microscópicas
conectadas entre si formando una
red continua
Puesto que esta red llena el espacio
y se sostiene a si misma, los
aerogeles se consideran materiales
sólidos
2. Estructura y composición


Durante un primer desarrollo, la
estructura del aerogel estuvo
basada en hilos de sílice y
poliuretano entretejidos
Este material era demasiado frágil
2. Estructura y composición



Para mejorar la fragilidad, los hilos
de las partículas de sílice se unen
químicamente con poliisocianato
Resultado: material tan ligero como
el aire y 100 veces más resistente
que el primer aerogel sintetizado.
Insensible a la humedad
2. Estructura y composición



Se cree que no es posible hacer un
aerogel de menor densidad
Si esto ocurriera el material obtenido no
sería realmente un gel, porque las
moléculas no estarían conectadas entre si
No es posible hacer un aerogel más ligero
que el aire, porque precisamente el
aerogel va relleno de él.
2. Estructura y composición

Para aumentar la densidad del
material basta con cambiar la
proporción de silicio del material
inicial
2. Estructura y composición

Foto de alta resolución de la estructura del aerogel
2.1.
FORMACIÓN
DE DENDRÍMEROS
2.1. Formación de dendrímeros


Durante el proceso de polimerización sol-gel(*),
los monómeros que están suspendidos en una
solución reaccionan entre si para formar un sol
compuesto por clusters coloidales
Estas macromoléculas comienzan a enlazarse y a
entrecruzarse para dar un sol-gel casi sólido
(*)Polimerización sol-gel: proceso que implica la transición
entre una fase líquida (sol) y una sólida (gel)
2.1. Formación de dendrímeros
2.1. Formación de dendrímeros

Esta estructura interna
entrecruzada es la responsable de
la gran área superficial del material
(1000m2/g)(*)
(*) Un gramo de aerogel es capaz de cubrir una superficie
equivalente a un campo de fútbol.
2.1. Formación de dendrímeros


El principal problema del aerogel,
que de momento está limitando su
uso, es la imposibilidad de
conseguir una estructura regular a
gran escala
El problema reside en el propio
proceso de polimerización sol-gel.
2.1. Formación de dendrímeros


En este proceso no se puede controlar el
tamaño de las partículas que se forman ni
la manera en la que se unen entre si.
La estructura y la densidad del aerogel
final, vienen determinadas por una gran
cantidad de variables que tienen lugar
durante el proceso de polimerización:




Temperatura
pH
Catalizador
…
2.1. Formación de dendrímeros

Para intentar poder controlar la
estructura del aerogel y hacerla
más regular, en la actualidad se
está desarrollando un método que
consiste en la formación artificial de
dendrímeros dentro de la estructura
del material.
2.1. Formación de dendrímeros


Los dendrímeros son unas
estructuras muy ramificadas en
forma de árbol con un peso
molecular y tamaño muy específicos
Estos dendrímeros tienden a formar
estructuras esféricas ordenadas con
una estructura bien definida que las
hace particularmente fuertes
2.1. Formación de dendrímeros
3.
SÍNTESIS
3. Síntesis
Alcohol (generalmente etanol)
+
disolvente líquido de rápida
evaporación (actúa como precursor
alcóxido de silicona)
=
dióxido de silicio sol-gel (gel de sílice)

3. Síntesis


Mediante un proceso de secado
supercrítico el alcohol se elimina del
gel
El principal problema de la síntesis
del aerogel se presenta en este
último proceso de secado, como
veremos a continuación
3. Síntesis


Si simplemente se dejara secar el gel por
si mismo, encogería y se produciría la
rotura de su estructura
Esto es debido a que el componente
sólido del gel es microporoso, y la
interfase líquido-vapor que se produce
durante el proceso de evaporación
produce una fuerte tensión superficial que
colapsa la estructura de los poros
3. Síntesis
SECADO SUPERCRÍTICO (FUNDAMENTO)
El fundamento del proceso se basa en que se
debe sustituir el líquido del gel por aire, de
manera que no sea posible la reentrada del
líquido en el gel



Para ello se trabaja con el líquido a una presión
siempre mayor a su presión de vapor, y se eleva
la temperatura, de manera que se consigue un
gas que se encuentra en su temperatura crítica, a
la cual las dos fases (líquido y gas) nunca están
presentes en un mismo momento
3. Síntesis




SECADO SUPERCRÍTICO (PROCESO)
La mezcla del alcogel se pone en un
autoclave que está lleno de etanol
Se somete el sistema a una elevada
presión y se enfría a unos 5-10ºC
En este momento se inyecta CO2 líquido
en el recipiente antes de que se elimine el
etanol
3. Síntesis



SECADO SUPERCRÍTICO (PROCESO)
El CO2 comienza a sustituir al alcohol en la
estructura del aerogel, y cuando lo ha sustituido
por completo se calienta el recipiente hasta una
temperatura próxima a la temperatura
supercrítica del CO2 (31ºC).
A medida que el recipiente se calienta va
aumentando su presión (PV=nRT). El CO2
empieza a liberarse lentamente del recipiente,
manteniendo la presión ligeramente superior a la
presión supercrítica del CO2
3. Síntesis




SECADO SUPERCRÍTICO (PROCESO)
El sistema se mantiene en estas condiciones
durante un breve periodo de tiempo después del
cual se disminuye la presión del CO2 hasta llegar
a la presión ambiental.
Al disminuir la presión se permite que el alcohol
(en estado de vapor) se escape, dejando la matriz
del aerogel rellena de aire.
Este proceso puede durar aproximadamente entre
12 horas y 6 días, de tal forma que una vez
finalizado obtenemos el aerogel sintetizado
3. Síntesis

Otro de los grandes inconvenientes del
proceso de síntesis es que se trabaja con
alcoholes a elevadas presiones y
temperaturas, por lo que el proceso
puede ser explosivo si no está sometido a
un control exhaustivo.
3. Síntesis

Autoclave
4.
TIPOS

4.1. AEROGELES
DE SÍLICE
4. Tipos



AEROGELES DE SÍLICE
Son el tipo más común
Absorben fuertemente la radiación
infrarroja, lo que permite utilizarlos en la
construcción de estructuras en las cuales
se quiera permitir el paso de luz al
interior de la estructura pero no el paso
de calor
4.2.
AEROGELES
DE ALÚMINA
4. Tipos




AEROGELES DE ALÚMINA
Compuestos de óxido de aluminio
Se utilizan como catalizadores, especialmente en los
compuestos por metal dopado+metal. La combinación
níquel-alúmina es la más común
Son utilizados por la NASA para capturar partículas a
hipervelocidades. Un aerogel dopado con gadolinio y
terbio produce fluorescencia en el lugar de impacto de
las partículas, de modo que se puede visualizar y
cuantificar la velocidad de las partículas, ya que la
fluorescencia depende de la velocidad del impacto.
AEROGELES
CARBÓN
DE
4. Tipos




4.3. AEROGELES DE CARBÓN
Son conductores eléctricos dependiendo de su
densidad
Debido a su gran área superficial se usan para
hacer supercondensadores y como adsorbentes
Absorben el 99.7% de la radiación infrarroja, lo
que les hace especialmente interesantes para
utilizarlos como paneles solares
5.
PROPIEDADES
5. Propiedades

MECÁNICAS
 A elevadas presiones se deforman (no “marca”)
 Materiales estructuralmente fuertes
Un ladrillo de 2.5 kg soportado por 3 g de aerogel
5. Propiedades

ÓPTICAS
 Apariencia semitransparente
 Color azul (dispersión Rayleigh)
5. Propiedades

Vuelos parabólicos (microgravedad)
5. Propiedades

FÍSICAS
 ligeros (0,003g/cm3)
 elevada área
superficial
 quimicamente
inertes
 baja constante
dieléctrica
 bajo índice de
refracción
 baja velocidad de
propagación del sonido
Tªfusión:3000ºC
 Aislantes:
Termicos (inhibidores
de la convección)
Acústicos
Eléctricos
 Desecante
 Hidrofílicos e
hidrofóbicos
5. Propiedades
6.
APLICACIONES
6. Aplicaciones






Adsorbente
Agentes espesantes
Material deportivo
Liberadores lentos
de medicamentos en
organismos
Supercondensadores
(aerogeles carbón)
Catalizadores
6. Aplicaciones

Misión espacial Stardust
6.Aplicaciones



Almacenamiento de combustible liquido
en cohetes
Aislantes en ventanas
Construcción, ropa, calzado

Vídeo: http://www.aerogel.com/
Bibliografía

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
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
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http://www.aerogel.com/
http://homepages.cae.wisc.edu/~aerogel/outreach.html
http://eande.lbl.gov/ECS/aerogels/aerogels.htm
http://stardust.jpl.nasa.gov/tech/aerogel.html
http://stardust.jpl.nasa.gov/photo/aerogel.html
http://www.infozaragoza.com/discordante/htmldocs/tecnologia5.html
http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/aerogel-insulation.html
http://www.llnl.gov/str/Foxhighlight.html
http://homepages.cae.wisc.edu/~aerogel/aboutaerogel.html
http://www.airglass.se/
http://www.jpl.nasa.gov/news/features.cfm?feature=490
http://www.aerogelcomposite.com/
http://eetd.lbl.gov/newsletter/CBS_NL/nl8/Aerogel.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel
http://jusore.blogspot.com/2006/09/aerogel-99-aire-aplicaciones.html
http://www2.uca.es/grup-invest/geles/
http://wwwprof.uniandes.edu.co/~infquimi/quimidiv01/car3/car3.htm
http://www.astroseti.org/imprime.php?num=2149
http://www.fisicanet.com.ar/quimica/materia/ar04_aerogel.php
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