Aérogel :matériau isolant remarquable du futur

Nous sommes au milieu d'une nouvelle course pour explorer l'espace extra-atmosphérique, et les nouveaux matériaux sont à la pointe du progrès technologique . Considérez les besoins d'une combinaison spatiale. Il doit protéger l'astronaute des températures extrêmes de l'espace, tout en étant aussi fin et léger que possible pour faciliter la maniabilité.

La NASA a développé des matériaux d'isolation en aérogel pour une utilisation dans l'exploration spatiale , mais ces dernières années, les aérogels sont devenus disponibles dans le commerce et trouvent des utilisations dans une variété d'autres domaines.

Les aérogels sont d'excellents isolants thermiques. Ici, un morceau d'aérogel protège une fleur d'un chalumeau.

Les aérogels sont des matériaux avancés qui, en raison de leur structure ultra-poreuse, permettent aux ingénieurs de concevoir non seulement une nouvelle isolation thermique pour les combinaisons spatiales et les véhicules , mais aussi filtres, batteries, collecteurs de chaleur solaire, etc. .

Cependant, les "aérogels" ne sont pas un type de matériau . Il s'agit plutôt d'une forme spéciale de solide qui peut être fabriqué à partir de silice, de polymères, d'oxydes, de carbone et d'autres matériaux . Bien que les aérogels soient solides, ils contiennent tellement de minuscules vides, ou "pores", qu'ils sont principalement composés d'air.

Dans cet article, nous répondrons aux questions suivantes :

• Qu'est-ce qu'un aérogel ?
• Comment fabriquer des aérogels ?
• Quelles sont les principales propriétés des aérogels ?
• Quelles sont les applications des aérogels ?

Qu'est-ce qu'un aérogel ?

Les aérogels sont des matériaux ultra-poreux , ce qui signifie que bien qu'ils soient solides, ils sont pleins de minuscules trous remplis d'air appelés pores. Ces pores sont la clé des propriétés uniques des aérogels . Alors que de nombreux matériaux sont poreux, comme les mousses et certaines céramiques, les aérogels sont un cas extrême.

Dans les aérogels, les pores constituent la majeure partie du matériau , résultant en un matériau solide ultra-léger . Les pores des aérogels sont également extrêmement petits, bien plus petits qu'un cheveu humain et trop petits pour être vus à l'œil nu. En conséquence, les aérogels sont si légers et translucides qu'ils ont des surnoms comme "nuage solide » et « fumée gelée ”.

Quelles sont les principales propriétés des aérogels ?

Les aérogels sont si poreux que jusqu'à 95 % de leur volume est constitué d'air , qui leur confère une variété de propriétés inhabituelles . Parmi ceux-ci, il y a le fait qu'ils sont parmi les matériaux les plus légers jamais fabriqués ou découverts , ce qui les rend particulièrement utiles dans les applications aérospatiales où l'économie de poids est vitale.

Les propriétés des aérogels incluent :

• Densité extrêmement faible (voir une recherche Matmatch pour une faible densité)
• Très faible conductivité thermique (voir une recherche Matmatch pour une faible conductivité thermique)
• Grande surface pour les réactions catalytiques ou électrochimiques
• Translucidité (voir une recherche Matmatch pour la transmission optique)

La clé de ces propriétés uniques est le fait que les aérogels ne sont pas seulement très poreux , mais les pores sont également extrêmement petits – trop petit pour être vu à l'œil nu. Cela signifie que les aérogels bénéficient non seulement de la faible conductivité thermique de l'air à l'intérieur des pores, mais également l'air ne peut pas circuler facilement , ce qui améliore encore leurs capacités en tant qu'isolants thermiques .

Comment fabriquer des aérogels ?

Malgré leur nom, les aérogels ne sont pas des gels , ils le sont solides hautement poreux qui sont principalement composés d'air. Les aérogels commencent comme un liquide , se transforment en gel, puis le liquide est éliminé. Leurs structures de pores uniques sont créées en préservant les structures créées lorsque de minuscules particules sont liées ensemble dans la phase liquide. (Voir une recherche Matmatch pour une petite taille de particules)

L'astuce consiste à retirer le liquide tout en préservant l'espace entre les particules . Ces espaces deviennent les pores de l'aérogel.

Les types d'aérogels les plus courants sont fabriqués à partir de silice par le procédé « Sol-Gel » :

1. Un "Sol" est fabriqué en mélangeant de minuscules particules solides avec un solvant liquide.
2. Le sol est transformé en "gel" en ajoutant un catalyseur qui lie les particules les unes aux autres, provoquant la solidification du mélange.
3. Le solvant liquide est éliminé par séchage, ne laissant que l'aérogel solide.

Le traitement des aérogels est essentiel pour créer leur microstructure unique. Sans les pores ultra-petits laissés par leur phase de gel semi-liquide , les aérogels n'auraient pas d'aussi faibles densités ou être de tels excellents isolants thermiques .

Quelles sont les applications des aérogels ?

Les aérogels ne sont pas un matériau spécifique, ils sont plutôt une forme de matériau qui a été traité pour le rendre extra poreux. Les aérogels les plus courants sont fabriqués à partir de silice (dioxyde de silicone); mais il y a aussi eu des aérogels fabriqués à partir de graphène, oxyde de fer, polymères, etc. .

Les aérogels apparaissent également sous diverses formes y compris briques épaisses, feuilles souples et revêtements minces . Les aérogels peuvent être utilisés dans une gamme d'applications et sont disponibles dans le commerce pour être utilisés comme isolant . Cependant, les chercheurs ont développé plusieurs autres applications technologiques pour ces matériaux remarquables.

Isolation aérogel

La faible conductivité thermique et la faible densité des aérogels en font un excellent matériau d'isolation . En prime, les aérogels sont si légers qu'ils n'ajoutent pratiquement aucun poids à la structure , ce qui les rend parfaits pour les voyages spatiaux parce que chaque kilogramme coûte de l'argent pour être transporté dans l'espace. Les aérogels sont également d'excellents isolants qu'ils peuvent être utilisés en couches minces où la flexibilité est nécessaire , comme dans les combinaisons spatiales.

Certains aérogels sont translucides , ce qui signifie qu'ils peuvent être utilisés dans des endroits où les isolations traditionnelles ne le pourraient pas, comme les fenêtres et les panneaux solaires . S'ils sont utilisés pour les puits de lumière dans les bâtiments terrestres ou les fenêtres d'un futur habitat spatial , les aérogels transmettent la lumière mais bloquent le transfert de chaleur .

Cela les rend idéales pour rendre les structures plus faciles à chauffer et à refroidir tout en laissant entrer plus de lumière naturelle . Les aérogels ont également été utilisés comme revêtements dans les capteurs de chaleur solaire de nouvelle génération , où l'aérogel laisse passer la lumière mais empêche la chaleur de s'échapper.

Capacité des aérogels à arrêter le flux de chaleur rend également utile comme forme de camouflage , et les revêtements d'aérogel ont été testés comme un moyen de se cacher des caméras infrarouges .

Adsorbeurs et filtres

Les pores minuscules à l'intérieur des aérogels leur accorder une surface spécifique particulièrement élevée, ce qui signifie qu'une grande quantité de matériau solide est en contact avec son environnement . Lorsque les aérogels sont fabriqués à partir de matériaux qui attirent et adhèrent à certaines molécules ou particules, ils peuvent être utilisés comme filtres et adsorbeurs qui piègent les substances à l'intérieur des pores .

Le gel de silice est un excellent déshydratant et chimiquement sûr à utiliser avec les aliments.

Un parent familier des adsorbeurs d'aérogel est du gel de silice , qui est couramment utilisé comme déshydratant pour éliminer l'eau de l'air . La plupart des gens connaissent les sachets de gel de silice utilisé pour garder les aliments et autres articles au sec, dans les systèmes de climatisation et autres applications. Une fois le gel de silice saturé d'eau, il peut être "rechargé" en le chauffant dans un four, qui vaporise l'eau de la surface de ses pores, le laissant sec et prêt à être réutilisé.

La quantité d'eau qui peut être absorbée augmente avec la surface spécifique . Étant donné que les aérogels ont une surface spécifique encore plus élevée que les gels de silice traditionnels, les aérogels offrent des améliorations encore plus importantes dans leur capacité à piéger l'humidité .

Applications technologiques avancées

La surface spécifique élevée des aérogels signifie qu'ils ont une quantité particulièrement importante de matière en contact avec leur environnement. Cela rend les aérogels utiles pour un grand nombre de processus chimiques et électrochimiques qui peut être amélioré en maximisant la surface de contact entre les solutions et les substrats solides.

Ceux-ci incluent servant de catalyseurs ou de substrats de catalyseur pour une variété de processus chimiques industriels ainsi que des électrodes dans les supercondensateurs de nouvelle génération .

La NASA a utilisé un aérogel pour piéger les particules de poussière spatiale à bord du vaisseau spatial Stardust. Les particules se vaporisent lors de l'impact avec les solides et traversent les gaz, mais peuvent être piégées dans des aérogels. La NASA a également utilisé l'aérogel pour l'isolation thermique du Mars Rover.

Parce que les aérogels sont un type de structure qui peut être fabriqué à partir d'une grande variété de matériaux , les chercheurs développent constamment de nouveaux aérogels et de nouvelles façons de les utiliser. Au fur et à mesure que de nouveaux matériaux seront transformés en aérogels, ils permettront de nouveaux développements technologiques comme les nouveaux supercondensateurs, les revêtements antimicrobiens, les tampons absorbant les déversements d'huile, les implants osseux, etc.

En raison de leur combinaison unique de faible conductivité thermique, de faible densité, de surface élevée et de translucidité, les aérogels évoluent vers un large éventail de technologies de matériaux de pointe .