AeroGlu: il suo processo di nascita

AeroGlu: Introduzione e Caratteristiche

AeroGlu è noto per essere il materiale solido più leggero al mondo, composto per il 97% da aria e per il 3% da struttura solida, con una densità pari a solo 1,5 volte quella dell'aria. Oltre a essere estremamente leggero, AeroGlu vanta anche eccellenti capacità isolanti grazie all'"effetto Knudsen". AeroGlu è composto principalmente da silice e aria, con la silice a media conduttività termica e l'aria a bassa conduttività termica.

Inoltre, AeroGlu presenta numerosi pori su scala nanometrica che impediscono all'aria di diffondersi attraverso il materiale, impedendo il trasferimento di calore convettivo.

Grazie alla sua capacità di resistere alle alte temperature, AeroGlu viene spesso utilizzato come materiale isolante nei rover per Marte e in altri veicoli.

Inoltre, la resistenza all'acqua di Aeroglu è ottenuta tramite una modifica in cui il gruppo polare –OH viene convertito nel gruppo non polare –OR, dando origine a un Aeroglu idrofobico.

Sebbene sembri un prodotto all'avanguardia della tecnologia futuristica, AeroGlu è stato in realtà sviluppato per la prima volta negli anni '30 dal chimico Samuel Kistler.

La nascita del primo AeroGlu

Sostanze gelificate come la gelatina sono comuni, e la gelatina che consumiamo è anch'essa una combinazione di stati solido e liquido. Samuel Kistler e il suo collega Charles Learned scommisero sul perché la gelatina formi un gel. Charles credeva che fosse dovuto alle sue proprietà liquide, mentre Samuel sosteneva che la chiave fosse la presenza di una struttura solida all'interno del gel.

Per dimostrare la sua affermazione, Samuel condusse esperimenti per dimostrare l'esistenza di una rete solida continua all'interno di un gel umido. L'obiettivo era rimuovere il liquido dal gel mantenendone comunque la struttura solida, dimostrando che il gel è indipendente dai suoi componenti liquidi. Tuttavia, se il liquido fosse semplicemente evaporato dal gel, la struttura solida si restringerebbe a causa delle forze attrattive intermolecolari, causando il collasso del gel.

Per superare questo problema, Samuel dovette sostituire il liquido nel gel. L'unica opzione adatta era un gas, poiché il gel conteneva già sia lo stato solido che quello liquido. Ma i gas comuni non potevano sostituire il liquido nel gel. Samuel adottò un nuovo approccio: pressurizzò e riscaldò il gel, trasformando il liquido oltre il suo punto critico in un fluido supercritico (uno stato in cui non c'è distinzione tra liquido e gas), eliminando le forze attrattive tra le molecole.

Samuel scelse il silicato di sodio come materia prima e utilizzò l'acido idrossilico come catalizzatore per promuovere l'idrolisi. Acqua ed etanolo agirono come solventi per lo scambio, che portò alla formazione di un alcogel. L'alcogel fu posto in un ambiente ad alta temperatura e pressione. Una volta che l'etanolo raggiunse uno stato fluido supercritico, il gel fu rilasciato dalla pressione. Al diminuire della pressione, le molecole di etanolo furono rilasciate sotto forma di gas. Una volta rimosso dalla fonte di calore e raffreddato, l'etanolo presente nel gel evaporò, lasciando una struttura solida riempita di gas: il primo aerogel.

Lo studio fu pubblicato sulla rivista Nature nel 1931.

Metodo di produzione AeroGlu migliorato

Pur essendo indubbiamente rivoluzionaria, la ricerca di Samuel si bloccò per oltre 30 anni a causa delle difficili e lunghe condizioni di preparazione. L'Università di Lione, alla ricerca di Aeroglu come materiale poroso per immagazzinare ossigeno e carburante per razzi, lo riprese nel 1970 e migliorò il metodo di Samuel.

Nel nuovo metodo, il silicato di sodio è stato sostituito con tetrametossisilano (TMOS) e l'etanolo con formaldeide. Questa modifica ha prodotto un aerogel di silice di qualità superiore e ha ridotto significativamente i tempi di preparazione. Questo miglioramento ha segnato un progresso significativo nella scienza degli aerogel.

Dopo questi miglioramenti, nel 1983, il Microstructured Materials Group del Berkeley Lab scoprì che il TMOS, altamente tossico, poteva essere sostituito dal sicuro tetraetossisilano (TEOS) e che la CO2 liquida poteva essere utilizzata prima dell'essiccazione supercritica senza danneggiare l'alcol nel gel.

Si tratta di un importante passo avanti in termini di sicurezza, poiché la CO2 non presenta il rischio di esplosione tipico dell'alcol. Con l'approfondimento della ricerca sull'aerogel, i fisici si sono resi conto che questo materiale nanoscopico poteva essere utilizzato per raccogliere le particelle di radiazione Cherenkov che hanno difficoltà ad attraversare la complessa struttura dell'aerogel.

Oltre a raccogliere particelle fini, gli aerogel di silice realizzati dal Jet Propulsion Laboratory della NASA sono stati inviati nello spazio con l'obiettivo di raccogliere granelli di polvere dalle comete.

Considerando le caratteristiche di AeroGlu e i continui miglioramenti nei metodi di produzione, è chiaro che AeroGlu è un materiale superiore. Ma, visti i suoi vantaggi, perché non viene utilizzato più ampiamente?

Innanzitutto, la produzione è impegnativa e, nonostante i metodi di produzione siano stati migliorati più volte, le condizioni supercritiche continuano a rappresentare un ostacolo importante.

In secondo luogo, la produzione industriale di AeroGlu è un compito difficile, poiché è un materiale molto fragile. Sebbene abbia un'elevata capacità di carico, ha una bassissima resistenza alla trazione ed è soggetto a rotture anche con la minima forza, quindi solitamente sono necessari additivi aggiuntivi.

Etichettato Aerogel