Gli aerogel sono conosciuti come "fumo congelato" a causa del loro aspetto blu spettrale. NASA/JPL-Caltech Aerogel, un materiale creato su una scommessa tra due scienziati alla fine degli anni '20, potrebbe essere la sostanza più unica sulla Terra. È il solido più leggero esistente - lo ha anche detto il Guinness World Records - ma può supportare da 500 a 4, 000 volte il suo stesso peso (a seconda di chi chiedi) [fonte:NASA JPL, Guinness; Steiner, Gravità zero]. Un pollice cubo di aerogel potrebbe essere distribuito per coprire un intero campo di calcio. È traspirante e ignifugo, e assorbe sia l'olio che l'acqua. L'aerogel è anche sorprendentemente forte, considerando il suo peso. Gli aerogel possono essere ottimi conduttori elettrici, tuttavia, quando realizzati con materiali diversi, sono anche uno dei migliori isolanti mai conosciuti [fonte:Steiner, Gravità zero]. Allora perché gli aerogel non hanno il riconoscimento del nome di serie A che meritano?
Sfortunatamente, produrre un prodotto così unico richiede una straordinaria quantità di tempo e denaro, in parte perché in ogni lotto viene prodotta solo una quantità molto piccola di aerogel. Anche se produrre più aerogel alla volta ne ridurrebbe il prezzo, il processo e i materiali da soli hanno un prezzo elevato di circa $ 1,00 per centimetro cubo. A circa $ 23, 000 per libbra, l'aerogel è attualmente più costoso dell'oro [fonte:NASA JPL, FAQ]!
Un prodotto così prezioso sembrerebbe appartenere ai diamanti e alle perle del portagioie di un'ereditiera. Ma è più probabile che l'aerogel si trovi a isolare un razzo o ad addensare la vernice piuttosto che ad adornare i ricchi mondani. Anche se gli aerogel potrebbero non essere affascinanti come l'oro, svolgono i loro compiti senza pari.
In questo articolo, esploreremo cosa rende unici gli aerogel, dalla loro scoperta in California alla fine degli anni '20, al loro viaggio per raccogliere la polvere spaziale nel 1999. Vedremo anche cosa riserva il futuro per gli aerogel e se c'è davvero un modo per renderli più convenienti per il pubblico in generale. Finalmente, ti mostreremo come puoi creare il tuo aerogel - sorprendentemente, si può fare.
Continua a leggere per saperne di più su come è apparso per la prima volta l'aerogel e su come viene prodotta questa sostanza adattabile.
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La leggenda dell'aerogel è avvolta nel mistero. Quello che sappiamo è che alla fine degli anni '20, Il professore di chimica americano Samuel Kistler ha fatto una scommessa con il collega Charles Learned. Kistler credeva che ciò che rendeva un oggetto un gel non fossero le sue proprietà liquide ma la sua struttura:in particolare, la sua rete di minuscoli, pori microscopici noti come nanopori. Cercare di dimostrarlo semplicemente evaporando il liquido ha portato il gel a sgonfiarsi come un soufflé. Così, lo scopo del gioco era quello di essere i primi a sostituire il liquido in "gelatine" con il gas, ma senza arrecare danni alla struttura [fonte:Steiner, Gravità zero].
Dopo molti tentativi ed errori, Kistler è stato il primo a sostituire con successo il liquido del gel con un gas, creando una sostanza che era strutturalmente un gel, ma senza liquido. Nel 1931 pubblicò le sue scoperte in un articolo intitolato "Coherent Expanded Aerogels and Jellies" sulla rivista scientifica Nature [fonte:Ayers, Pioniere].
Aerogel inizia come un gel, chiamato alcogel . Alcogel è un gel di silice con alcool all'interno dei suoi pori. La semplice evaporazione dell'alcol dalla struttura di silice farebbe contrarre la struttura, proprio come una spugna bagnata si deformerà se lasciata ad asciugare su un bancone. Invece di fare affidamento solo sull'evaporazione, il gel deve essere essiccato in modo supercritico. Ecco cosa serve:
L'essiccazione supercritica è il modo in cui la parte liquida "alco" dell'alcogel si trasforma in un gas all'interno dei nanopori della silice senza che la struttura collassi. L'alcogel con il suo alcol rimosso è ora chiamato aerogel, poiché l'alcol è stato sostituito dall'aria. Con solo il 50-99% del volume del materiale originale, l'aerogel è una luce, materiale flessibile e utile [fonte:Steiner, Gravità zero].
Continua alla pagina successiva per conoscere i tipi più comuni di aerogel in uso oggi.
I tre tipi più comuni di aerogel sono silice, carbonio e ossidi metallici, ma è la silice che viene più spesso utilizzata sperimentalmente e nelle applicazioni pratiche. Quando si parla di aerogel, è probabile che stiano parlando del tipo di silice [fonte:Aerogel.org, Silice]. La silice non va confusa con il silicio, che è un semiconduttore utilizzato nei microchip. La silice è un materiale vetroso spesso utilizzato per l'isolamento.
A differenza degli aerogel di silice blu fumo, quelli a base di carbonio sono neri e al tatto sembrano carbone. Quello che gli manca negli sguardi, compensano l'elevata superficie e le capacità elettricamente conduttive. Queste proprietà rendono gli aerogel di carbonio utili per i supercondensatori, celle a combustibile e sistemi di desalinizzazione [fonte:Aerogel.org, Biologico].
Gli aerogel di ossido metallico sono costituiti da ossidi metallici e vengono utilizzati come catalizzatori per le trasformazioni chimiche. Sono utilizzati anche nella produzione di esplosivi e nanotubi di carbonio, e questi aerogel possono anche essere magnetici. Ciò che distingue gli aerogel di ossido di metallo come l'ossido di ferro e la cromia dai loro cugini di silice più comuni è la loro gamma di colori sorprendentemente brillanti. Quando viene trasformato in un aerogel, l'ossido di ferro conferisce un aerogel nel suo caratteristico colore ruggine. Gli aerogel di cromo appaiono di un verde intenso o blu. Ogni tipo di ossido di metallo si traduce in un aerogel di colore leggermente diverso. [fonte:Aerogel.org, Metallo].
Gli aerogel di silice, gli aerogel più comuni, sono blu per lo stesso motivo per cui il cielo è blu. Il colore blu si verifica quando la luce bianca incontra le molecole di silice dell'aerogel, che sono maggiori delle lunghezze d'onda della luce. L'aerogel si disperde, o riflette, le lunghezze d'onda più corte della luce più facilmente di quelle più lunghe. Poiché la luce blu e viola hanno le lunghezze d'onda più corte, si disperdono più degli altri colori dello spettro visibile. Vediamo le lunghezze d'onda sparse come colore, e poiché i nostri occhi sono più sensibili alle lunghezze d'onda blu, quelle viola non le vediamo mai [fonte:Steiner, Gravità zero].
Continua a leggere per saperne di più sulle applicazioni degli aerogel nello spazio.
Acqua contro alcoolGli alcolici hanno i pori pieni di alcol, ma se invece usassi l'acqua? Nei suoi primi esperimenti, Kistler usato idrogel , che conteneva acqua. Quando si asciuga, questi gel si comportano in modo molto simile a Jell-O. Si rompono in un appiccicoso, macchia disordinata perché il liquido nell'idrogel evapora troppo rapidamente perché la sostanza mantenga la sua forma. Con ogni molecola che fuoriesce, altri cercano di colmare le lacune. Questo causa ciò che è noto come stress capillare all'interno dei pori del gel, causando il crollo dell'intera struttura [fonte:Hunt e Ayers, Storia].
Questo collettore di polvere per il veicolo spaziale STARDUST è stato dotato di 260 pannelli di aerogel. NASA/JPL-Caltech La versatilità di Aerogel lo ha reso molto importante sia sulla Terra che nello spazio. Ha svolto una serie di ruoli in diverse missioni della NASA, dall'isolamento delle apparecchiature elettriche dei rover su Marte alla cattura della polvere spaziale da una cometa in corsa.
Le comete sono oggetti primitivi che risalgono alla nascita del sistema solare. Mentre volano nello spazio, emettono particelle chiamate polvere spaziale. Questa polvere spaziale è molto ricercata dagli scienziati che sperano che ci insegni come è iniziato il nostro mondo.
In missione per catturare campioni di comete e polvere spaziale nel 1999, La NASA ha lanciato un veicolo spaziale che ha percorso 4,8 miliardi di chilometri (l'equivalente di 6, 000 viaggi sulla luna) per raggiungere la cometa Wild 2. Una volta lì, il collettore di polveri a forma di racchetta da tennis si è aperto e ha usato i suoi 260 cubi di aerogel per catturare le particelle veloci di polvere interstellare e conservarle nel loro stato naturale [fonte:NASA JPL, Aerogel]. Cosa c'è di più, mentre le particelle bombardavano il collettore di polvere, hanno lasciato tracce all'interno dei cubi di aerogel del collezionista mentre rallentavano fino a fermarsi. Queste tracce hanno permesso agli scienziati di trovare più facilmente le minuscole particelle dallo spazio.
Quando la navicella è arrivata a casa nel 2006, ha riportato i primi campioni tornati sulla Terra dallo spazio in più di 30 anni. La durata dell'Aerogel ha permesso al depolveratore di tornare dallo spazio intatto senza che mancasse una singola piastrella di aerogel. Gli scienziati sono stati in grado di studiare la polvere e i cristalli contenuti nell'aerogel e attendere le intuizioni che potrebbero portare [fonte:Bridges].
Prossimo, impareremo alcune delle applicazioni commerciali di aerogel.
I pastelli sopra l'aerogel sono protetti dalla fiamma sottostante. Aerogel di silice simili sono stati usati per isolare il rover su Marte. NASA/JPL-Caltech Nei loro primi giorni, gli aerogel sono stati commercializzati come agenti addensanti e utilizzati in tutto, dal trucco e dalla vernice al napalm. Erano anche usati come filtri per sigarette e isolanti per congelatori. Monsanto è stata la prima azienda a commercializzare applicazioni commerciali di aerogel. Però, Il metodo di essiccazione supercritico di Kistler, sebbene efficace, era anche pericoloso, lungo e costoso. Dopo 30 anni di produzione, tutti questi fattori hanno portato la Monsanto a interrompere la sua attenzione sugli aerogel negli anni '70.
Però, questa non era la fine dell'aerogel. Non molto tempo dopo essere stato abbandonato dalla Monsanto, gli scienziati hanno sviluppato un processo che ha reso la produzione di aerogel meno tossica utilizzando un composto alcossido più sicuro. Lo hanno anche reso meno pericoloso sostituendo l'alcol supercritico con l'anidride carbonica supercritica nel processo di essiccazione. Questi sviluppi hanno ridotto il tempo impiegato per asciugare gli aerogel e ridotto la natura pericolosa e infiammabile della loro produzione. Tali progressi hanno reso l'aerogel di nuovo un po' più redditizio dal punto di vista commerciale, e gli scienziati sono rimasti incuriositi dalle possibilità del prodotto. [fonte:Hunt e Ayers, Storia]
Poiché la produzione di aerogel è stata resa meno complicata e pericolosa, le sue proprietà uniche hanno reso l'aerogel popolare in una vasta gamma di industrie. produttori di silicio, i produttori di materiali per l'edilizia e le agenzie spaziali hanno utilizzato l'aerogel. La sua popolarità è stata ostacolata solo dal costo, anche se c'è una spinta sempre più efficace per creare aerogel che siano efficienti in termini di costi. Intanto, gli aerogel possono essere trovati in una gamma di prodotti:
[fonte:Aerogel.org, Storia moderna]
A causa della struttura unica dell'aerogel, il suo uso come isolante è un gioco da ragazzi. Le sacche d'aria super isolanti con struttura ad aerogel contrastano quasi interamente i tre metodi di trasferimento del calore:convezione, conduzione e radiazione [fonte:Cabot Corporation]. Anche se l'aerogel è ancora piuttosto costoso, la buona notizia è che gli studi hanno dimostrato che l'isolamento in aerogel utilizzato nell'inquadratura delle pareti e nelle aree difficili da isolare come le scossaline delle finestre può far risparmiare a un proprietario di casa fino a $ 750 all'anno. Oltre ad aiutare i proprietari di casa a risparmiare denaro, l'isolamento in aerogel può ridurre significativamente la tua impronta di carbonio. [fonte:Aspen Aerogels, Nuovo Spaceloft]. Le aziende stanno correndo per trovare un modo per ridurre i costi, ma per ora, gli aerogel sono più convenienti per la NASA rispetto al pubblico in generale. Ancora, gli aerogel sono utilizzati dalle imprese di costruzione, centrali elettriche e raffinerie. Forse quando è più conveniente, aerogel raggiungerà lo status di A-list.
Dalla Terra allo spazio, gli aerogel hanno senza dubbio un posto nel nostro futuro. Continua a leggere per conoscere i recenti progressi dell'aerogel e come tu, pure, può sperimentare con aerogel.
Un mattone da 5,5 libbre è sostenuto da un pezzo di aerogel di silice che pesa solo 2 grammi (0,07 once). NASA/JPL-Caltech Sebbene l'aerogel sia costoso, i ricercatori stanno ancora sperimentando modi per renderlo più forte, meno costoso e meno pericoloso. Per esempio, Il professor Nicholas Leventis della Missouri University of Science and Technology ha stupito il mondo della scienza nel 2002 con l'annuncio di aver sviluppato un metodo per produrre aerogel non fragili. gli aerogel di Leventis, conosciuto come x-aerogel , non sono solo più forti; sono anche più flessibili, impermeabile e resistente agli urti. Il rovescio della medaglia è che la produzione di x-aerogel richiede più sostanze chimiche pericolose e richiede più tempo; queste sostanze chimiche riducono anche la sua capacità di isolamento [fonte:Aerogel.org, Forte]. Nonostante alcuni aspetti negativi, Gli x-aerogel hanno le seguenti possibili applicazioni:
[fonte:Leventis]
Inoltre, gli aerogel potrebbero aiutare con la spinta verso una tecnologia più "verde". L'aerogel di carbonio ha un grande potenziale per supercondensatori e celle a combustibile per automobili ad alta efficienza energetica. Infatti, la capacità di stoccaggio dell'energia del carbonio aerogel potrebbe portare a una sfilza di nuove tecnologie, ma solo se il prezzo di produzione dell'aerogel diventa più accessibile per operazioni su larga scala.
La buona notizia è che non devi essere un ricercatore ben finanziato per sperimentare la creazione di nuovi aerogel. Vuoi creare il tuo aerogel? Anche se è possibile farlo a casa, è meglio farlo in un laboratorio che contiene tutti i materiali necessari, inclusa un'autoclave per asciugare in modo supercritico il tuo aerogel. (Se ti senti super produttivo, qui ci sono le istruzioni su come creare la tua asciugatrice supercritica.) Chiedi alla tua università o college locale; le possibilità sono, se dici loro che hai una ricetta con cui vuoi lavorare, potrebbero lasciarti usare la loro attrezzatura [fonte:Hunt e Ayers, Fabbricazione; Aerogel.org, Costruire].
Diversi siti Web forniscono istruzioni su come realizzare aerogel, incluso aerogel.org e questo dell'Università della California. Indipendentemente da dove realizzi il tuo aerogel, le precauzioni di sicurezza sono un must. Indossa occhiali, guanti (i migliori sono i guanti per lavare i piatti), pantaloni lunghi, scarpe chiuse e una maschera da pittore per proteggersi da fumi pericolosi e materiali infiammabili. [fonte:Steiner, Come fare; Hunt e Ayers, Fabbricazione]
Aerogel:c'è qualcosa che non possono fare? Si spera che il pubblico sarà per nome con loro nel prossimo futuro. Per ulteriori informazioni sugli aerogel e argomenti correlati, controlla i link nella pagina successiva.
