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(Foco Nanowerk) Los aerogeles son una clase única de materiales sólidos extremadamente porosos con densidades y conductividades térmicas más bajas que el aire. Sus impresionantes propiedades, que incluyen baja densidad, alta porosidad y baja conductividad térmica, hacen que los aerogeles sean prometedores para una amplia gama de aplicaciones. Estas aplicaciones incluyen aislar naves espaciales, aspirar derrames de petróleo y proteger componentes electrónicos de interferencias electromagnéticas.
A pesar de su potencial, la adopción generalizada de los aerogeles se ha visto obstaculizada por su fragilidad. Los aerogeles normalmente se elaboran extrayendo el componente líquido de un gel. Lo que queda es una matriz que consiste casi exclusivamente en aire y tiene una red nanoestructurada sólida mínima. Si bien esto crea materiales con una densidad de sólo 3 miligramos por centímetro cúbico, también da como resultado propiedades mecánicas deficientes y fragilidad. Además, es difícil desarrollar composiciones de aerogel y niveles de porosidad específicos para optimizar las propiedades para diferentes aplicaciones.
Los aerogeles se inventaron por primera vez en la década de 1930 reemplazando el líquido de un gel con aire preservando al mismo tiempo la compleja estructura sólida del gel. Esto generalmente se hace mediante un proceso especial de liofilización llamado liofilización. Primero, se congela el gel, lo que solidifica el componente líquido. Luego el gel congelado se coloca en condiciones de vacío. Esto hace que el líquido congelado se convierta directamente de un estado sólido a gaseoso mediante un proceso llamado sublimación. Lo único que queda es la red sólida porosa que previamente encapsuló el líquido.
El resultado es una espuma sólida compuesta por más del 90% de aire y cuyas densidades son comparables a las densidades más bajas teóricamente alcanzables. Sin embargo, la mínima estructura sólida hace que los aerogeles sean extremadamente frágiles y quebradizos. Un mayor contenido de sólidos mejoraría la durabilidad, pero también aumentaría el peso y comprometería su densidad y conductividad térmica excepcionalmente bajas. Esta fragilidad ha dificultado su uso en el mundo real, a pesar de sus propiedades casi mágicas.
Para mejorar la durabilidad de los geles manteniendo su peso ligero, investigadores de la Universidad de Columbia Británica han desarrollado una forma de modelar su estructura utilizando dos líquidos inmiscibles. Informan sus resultados en Materiales avanzados (“Aerogeles de plantilla líquida”).
![Representación esquemática de la metodología para crear plantillas de líquidos de aerogel.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63995_1.jpg)
El equipo comienza inyectando una solución acuosa que contiene nanopartículas como óxido de grafeno o nanofibras de celulosa en un líquido apolar como el hexano. Las nanopartículas migran rápidamente a la interfaz entre los líquidos y se unen a moléculas complementarias predisueltas en hexano. Esto crea una capa densa que encapsula la solución acuosa en el líquido no polar. La congelación y posterior liofilización de este conjunto deja un aerogel con una piel exterior sólida que encierra una red interior muy porosa. Variar las nanopartículas y otras condiciones de reacción permite un control preciso sobre la composición y la porosidad multiescala del aerogel.
Los investigadores utilizaron esta capacidad de sintonización para optimizar los aerogeles para bloquear la interferencia electromagnética (EMI). Con propiedades finamente ajustadas, los materiales lograron un efecto de protección contra EMI que rivalizaba con las láminas metálicas, mientras pesaban solo miligramos por centímetro cúbico. Este bajo peso los hace prometedores para aplicaciones aeroespaciales donde la masa adicional del blindaje es extremadamente desventajosa. Los geles también absorben rápidamente aceites hasta 487 veces su propio peso.
El autor principal, Milad Kamkar, explica la importancia de los avances: «La creación de plantillas líquidas mediante complejación interfacial es una estrategia que puede revolucionar el diseño de materiales y ofrece un enfoque prometedor para mejorar el rendimiento mucho más allá de lo que se puede lograr hoy».
![Producción de aerogeles de diferente composición y propiedades.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63995_2.jpg)
Los nuevos aerogeles resuelven dos desafíos persistentes que dificultan el uso práctico de estas espumas sólidas. En primer lugar, su extrema fragilidad, que muchas veces limita las posibles aplicaciones debido a su baja estabilidad mecánica. Y en segundo lugar, la dificultad de definir de antemano las propiedades de los aerogeles diseñando específicamente su composición y porosidad. Este trabajo resolvió ambos problemas mediante una selección juiciosa de los componentes básicos de las nanopartículas y una estructuración precisa de los geles mediante plantillas líquidas.
El resultado son aerogeles ultraligeros con alrededor de 3 miligramos por centímetro cúbico y una resistencia a la compresión de hasta un 90% de alargamiento, una de las más altas registradas. Además, la selección de nanopartículas en la fase acuosa permite el control in situ de la composición química de los aerogeles. Esto les permitió adaptarse para una atenuación EMI excepcional o una absorción de aceite simplemente usando óxido de grafeno en lugar de nanopartículas de grafeno y óxido de hierro.
![Aerogeles GO reducidos y no reducidos en los pelos muy claros de los cactus](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63995_3.jpg)
Aunque los aerogeles existen desde hace décadas, su fragilidad y falta de capacidad de ajuste han limitado su uso práctico. Al crear geles alrededor de líquidos plantilla, los investigadores lograron un excelente control sobre la composición y la porosidad de los materiales. Sus avances en el procesamiento allanaron el camino para la creación de aerogeles duraderos y personalizables que satisfagan las necesidades urgentes de protección electromagnética y limpieza de derrames de petróleo.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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