Aerogel (AG)

Sviluppi storici e diffusione

Le prime molecole di aerogel risalgono al 1931, anno in cui Steven Kistler³⁸ del College of the Pacific a Stockton in California scoprì il segreto per asciugare il gel evitandone il collasso³⁹. Kistler cercò di provare che un gel contiene una matrice solida delle stesse dimensioni e forma del gel stesso. Il modo più immediato di provare questa ipotesi era quello di rimuovere la parte liquida dal gel lasciando integra la parte solida. In realtà se il gel veniva semplicemente fatto asciugare, la struttura collassava, giungendo solo ad una frazione del volume iniziale, con la rottura della struttura solida.

Kistler suppose, correttamente, che la componente solida del gel fosse microporosa e che l'interfaccia liquido-vapore del liquido evaporante esercitasse delle intense forze di tensione superficiale, che portavano alla distruzione della struttura dei pori. Kistler intuì quindi l'aspetto chiave della produzione degli aerogel: sostituire il liquido con aria, facendolo passare attraverso condizioni supercritiche in cui, pertanto, non fossero presenti contemporaneamente le due fasi e

38Kistler S. S., Coherent Expanded Aero-gels and Jelliers, Nature, 1931

39 Kistler S. S., Coherent expanded aero- gels, Journal of Physical Chemistry, 1932

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fossero così assenti le tensioni superficiali. Portando il liquido allo stato supercritico, e quindi a condizioni supercritiche in termini di temperatura e pressione, facendo lentamente diminuire la pressione: il fluido supercritico viene quindi espulso dal gel senza i distruttivi effetti dovuti alla tensione superficiale.

Il primo risultato fu il gel di silice. Per l'aerogel possono essere usati materiali molto diversi; il lavoro di Kistler portò ad aerogel basati su silicio, alluminio, cromo, e stagno.

L'aerogel è la sostanza solida meno densa conosciuta, ovvero la più leggera per metro cubo (solo 0,02 g/cm³); è composta dal 99,8% di aria e dal 0,2% di diossido di silicio, il principale componente del vetro. Esso è molto meno denso del vetro, solo tre volte più pesante dell'aria, sopporta altissime temperature (fino a circa 1200 °C) ed è un ottimo isolante termico⁴⁰. In seguito alla sua scoperta, l’aerogel è stato ampiamente studiato e sono state prodotte diverse tipologie di materiale: l’aerogel granulare, i pannelli flessibili e i blocchi monolitico.

Figura 64. Blocco di aereogel. Fonte: Courtesy NASA/JPL-Caltech - NASA Stardust Website

Processo di preparazione

Gli aerogel più comuni sul mercato sono ottenuti dal processo di sintesi della silice. Tuttavia la sua preparazione impiega non solo la silice, ma anche materiali come alluminio, cromo, ossido di stagno e polimeri. Oggi i metodi di produzione sono molteplici e cambiano in funzione del tipo di prestazione che si vuole ottenere e alla tecnologia utilizzata.

Il processo di sintesi della silice prevede sostanzialmente 3 fasi:

a. Preparazione del gel: effettuata dissolvendo i componenti solidi (principalmente silice SiO2) in un agglomerato liquido (ad esempio alcol liquido, come l’etanolo) generando un gel a struttura tridimensionale;

b. Invecchiamento del gel: che consente alla soluzione di diventare più dura e più resistente;

c. Asciugatura supercritica: che comporta la sostituzione del liquido presente nella struttura del gel con l’aria.

40 https://it.wikipedia.org/wiki/Aerogel

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Caratteristiche fisico-chimichee applicazioni

Nonostante l’aerogel di silice sia sintetizzato a partire da un gel, è un materiale rigido, asciutto e friabile con porosità fino al 99% del volume con densità (a secco e senza aggiunta di altri materiali) di circa 2 kg/m³. La dimensione dei pori, è di circa 20 nm, caratteristica che ne determina l’assenza di conduzione gassosa nel materiale. La trasmissione di calore attraverso l’irraggiamento, inoltre, viene minimizzata grazie all’aggiunta di materiali opacizzanti. Nonostante sia repellente all’acqua, proprietà acquisita in seguito al trattamento idrofobizzante, consente al vapore di migrare riducendo la possibilità di crescita di muffa. Gli effetti benefici acustici e termici dei materassini d’aerogel sono già stati riscontrati e provati in diversi laboratori (λ compresa tra 0,017 e 0,019 W/mK). Sono stati sviluppate anche dei sistemi di vetrate ad alte prestazioni termiche realizzando vetri monolitici o introducendo l’aerogel in forma granulare con rispettive riduzioni della trasmittanza solare e consentendo di diminuire le perdite di calore fino al 55% rispetto ad un vetro basso emissivo. L’aerogel non è un materiale nocivo per la salute anche se la prolungata esposizione potrebbe causare problemi alle vie respiratorie e il maneggiamento senza opportuni dispositivi di protezione potrebbe portare ad irritazioni cutanee (infatti se il materiale è toccato a mani nude, si ha essiccamento della pelle)⁴¹.

Gli aerogel sono materiali che trovano diverse applicazioni. Commercialmente, sono stati utilizzati in forma granulare per conferire isolamento termico alle finestre degli edifici. Dopo diversi esperimenti in assenza di forza di gravità, un gruppo di ricercatori⁴² ha dimostrato che la produzione di aerogel in un ambiente microgravitazionale può dare origine a particelle di dimensioni più uniformi e ridurre l'effetto dovuto allo scattering negli aerogel di silice, rendendo quindi il materiale più trasparente.

L'elevata area superficiale dell'aerogel lo rende utile nella purificazione chimica tramite adsorbimento. Questa caratteristica gli conferisce anche un grande potenziale di utilizzo quale catalizzatore o come supporto per un altro catalizzatore.

In relazione a una specifica applicazione, la prestazione dell'aerogel può essere aumentata aggiungendo degli agenti dopanti, rinforzandone la struttura o aggiungendo diverse sostanze. In tal modo il campo di applicazione di questi materiali può essere ampiamente esteso.

La NASA ha utilizzato l'aerogel per intrappolare le particelle di polvere interstellare durante la missione della sonda Stardust. Queste particelle vaporizzano per impatto con solidi e passano attraverso i gas, ma possono essere intrappolate negli aerogel. La NASA li ha utilizzati anche per l'isolamento termico del Mars Exploration Rover e delle tute spaziali⁴³.

Nanocompositi metallo-aerogel possono essere preparati impregnando l'idrogel di partenza con una soluzione contenente ioni di opportuni metalli nobili o di transizione. L’idrogel impregnato viene quindi sottoposto a irradiazione con raggi gamma, ottenendo così la precipitazione delle nanoparticelle metalliche.

41 Tesi di laurea di Grosso G., analisi numerico sperimentale di rasature isolanti a base aerogel, Politecnico di Torino, a.a.2017/18 (Relatore: Prof. Perino Marco, Correlatori: Arch. Fantucci Stefano e Dott. Fenoglio Elisa)

42http://www.zerogaerogel.com/aboutaerogel.html

43 https://www.nasa.gov/mission_pages/stardust/spacecraft/aerogel-index.html

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Grazie alla sua biocompatibilità, l'aerogel può essere utilizzato come sistema di dispensazione dei farmaci. L'elevata area superficiale e la struttura porosa permettono l'assorbimento dei farmaci da CO2 supercritica. La velocità di rilascio del farmaco può essere definita in base alle proprietà dell'aerogel⁴⁴.

Gli aerogel di carbonio sono utilizzati nella costruzione di piccoli super condensatori. In relazione all'elevata area superficiale dell'aerogel, questi condensatori possono raggiungere dimensioni inferiori da 2000 a 5000 volte rispetto a quelle dei condensatori elettrolitici similmente classificabili⁴⁵. I super condensatori che utilizzano aerogel possono avere valori molto bassi di impedenza rispetto ai normali super condensatori e possono assorbire o produrre picchi molto alti di corrente.

L’impiego di questo materiale però ha costi elevati dovuti soprattutto al processo di produzione, il prezzo dell’aerogel si attesta a 80-90 €/m² (considerando uno spessore di circa 2 cm); il costo degli intonaci termoisolanti è compreso tra 45 e 60 €/m². L’aumento e la diminuzione del costo del materiale è influenzato dallo spessore, quindi anche dalla percentuale di aerogel impiegato⁴⁶. Caratteristiche del prodotto utilizzato

Pannello in aerogel accoppiato a una membrana in polipropilene armato con fibra di vetro

Dimensioni [cm] Dati tecnici

- L1= 140 - L2= 72 - H= 1 ÷ 4

- Conducibilità termica λ = 0,015 W/mK - Compressione (10%) 80 kPa

- Assorbimento d'acqua (parziale) Wlp ≤ 0,01 kg/m² - Densità 230 kg/m³

- Resistenza diffusione al vapore μ = 5 - Calore specifico 1000 J/kgK

- Euroclasse Reazione al fuoco C s1 d0

Tabella 17. Fonte: Scheda tecnica. Allegato 8