Materiales
09 marzo, 2023
El aerogel es un material de silicio con apariencia de algodón y un peso increíblemente bajo, que ha sido usado en muchos ámbitos desde su invención en 1931. El aerogel es un polímero sintético que se forma a partir de la eliminación total del líquido presente en un gel poro, dejando entre un 90 y un 99 por ciento de aire atrapado. El aerogel más liviano fabricado hasta la fecha cumple con una relación líquido-aire del 99.8%, lo que significa que casi está compuesto en su totalidad por aire. Aunque diferentes empresas largamente han producido aerogel para distintos usos, existen dos métodos principales para fabricarlo a nivel industrial: el método seco y el método húmedo.
Uno de los procedimientos para fabricar el aerogel es el método seco, del que actualmente existen numerosas variaciones y protocolos. Esta técnica incluye complexas interacciones químicas que surgieron a través de numerosas investigaciones para maximizar la producción de aerogel. Los pasos principales del proceso, a grandes rasgos son los siguientes:
El primer paso para fabricar el aerogel con el método seco es preparar los materiales. Para ello se mezclan soluciones de diferentes sal, alcaloides orgánicos, y un catalizador ácido, con un solvente como el metanol y un gelante como el acrilamida. Estas mezclas reaccionarán con el etileno glicol, creando complejas molécuas conocidas como membranas moleculares autoensamblantes (MMAE). En algunos casos se puede optar por dejar los MMAE en sus fases supercríticas hasta simplemente colocarlos dentro de unas condiciones desecantes.
A continuación, se produce la deshidratación de los materiales usando diferentes herramientas o recursos como la presión o el calor. Las estructuras de las membranas moleculares autoensamblantes (MMAE) se comienzan a estabilizar a medida que se evapora el solvente formando un material gelatinoso. La temperatura se controla con precisión para lograr un proceso más suave, a la vez que se moja la superficie de la materia con pequeñas cantidades de glicerol para minimizar posibles caídas de temperatura.
Para cristalizar los materiales se van añadiendo capas tridimensionales de materiales, alternadas con capas de glicerol. De esta forma, se añade una cáscara externa densa formada por los ácidos grasos con lo que se ayuda a proteger al gel en formación. Finalmente, se retira gradualmente el líquido restante de la mezcla en un proceso llamado secado.
Tras completar el secado, se somete el material a un proceso criosicático que requiere la adición de nitrógeno líquido a los materiales químicos secos. La mayoría de los materiales químicos empiezan a expandirse debido a un ligero choque térmico, momento en el que comienza la cristalización de las submoléculas. Debido a la presencia del nitrógeno líquido, se produce una disminución sustancial de la temperatura lo que provoca la congelación del material.
Durante el proceso de calentamiento leve, la temperatura inicial se acerca a 8° Celsius, y puede aumentarse, según necesidad, para acelerar levemente el proceso de cristalización. Se debe tomar la precaución de controlar la temperatura, para evitar daños al material. Si no es controlada, la fuerza excesiva causada por el calentamiento puede hacer desmoronar la estructura de cristalización.
Una vez completado con éxito este proceso, lo cual suele tardar alrededor de tres días, el aerogel está listo. El resultado de este proceso de fabricación es un material único de estructura porosa y de aspecto similar al algodón que, según el estudio, cuenta con propiedades aislantes térmicas un 90 por ciento mejores que la lana de vidrio, al mismo tiempo que posee gran capacidad de absorción, resistencia y flexibilidad.
El método húmedo se usa para fabricar aerogeles a partir del poliol etileno glicol, así como sus sales. Primero, se tiene que preparar la solución, para lo cual se mezcla el etileno glicol con una fuente de uniones HO, como la glicerina o la glucosa, con el fin de formar un pregel.
Una vez hecha la mezcla en el pegel, se introducen reactivos como aplicando cohesión al producto y un ligante conocido como agente espaciador para apoyar las microestructuras. Después de secar el pregel resultante, se enfrian los reactivos y se hace una reacción de adición de group de funcionalidades, por medio de la cual se redispersan los materiales a un estado cristalino.
Al llegar a este punto, los productos al aerogel se someten a secado para lo cual se les introduce nitrógeno líquido. Posteriormente, la temperatura se eleva lentamente para espesar la solución entrante y eliminar todo el contenido de líquido. Tras el proceso de secado, el aerogel es sometido a calentamiento en una cámara de vacío para obtener la relación aire-líquido correcta.
Cuando finaliza este proceso, usualmente antivibración, se procede a la limpieza del producto para eliminar los residuos que hubiesen quedado durante el proceso. Luego, el polímero es sometido a una finalización rematando el proceso de elaboración. Al final, el aerogel es utilizado para diversos fines, en aplicaciones desde la aeroespacial hasta los electrodomésticos.
Para producir aerogeles a nivel industrial, existen dos métodos a considerar. El método seco es aquel que comúnmente se utiliza para obtener el aerosgel de silicio. Comienza con la producción de membranas moleculares autoensambladas, con una reducción de líquido en el producto seco, luego un proceso criosicático, un calentamiento leve para finalmente ser sometido a limpieza y finalización para hacerlo apto para su uso. Por otra parte, el método húmedo se usa cuando se trabaja con poliol etilen glicol, llegando al mismo resultado, aunque ya sea el proceso a seguir difiere.
El aerogel resultante es liviano, con la capacidad de absorber muchas veces su peso en agua y propiedades térmicas y de aislamiento excepcionales; características que lo hacen único y muy solicitado para su uso en una variedad de campos. En la actualidad, el aerogel se usa en medicina, la industria automotriz, la aeroespacial, la tecnología industrial, el control ambiental y el área de militarios, entre otros.
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