Aérogel

L’aérogel est un matériau ultraléger poreux synthétique dérivé d’un gel , dans lequel le composant liquide du gel a été remplacé par un gaz . [1] Le résultat est un solide avec une densitéextrêmement faible [2] et une faible conductivité thermique . Surnoms comprennent la fumée congelés , [3] fumée solide , l’ air solide , nuage solide , fumée bleue en raison de sa translucidenature et la façon dont la lumière se disperse dans le matériau. On se sent fragile polystyrène expansé au toucher. Les aérogels peuvent être fabriqués à partir d’une variété de composés chimiques. [4]

Airgel a été créé par Samuel Stephens Kistler en 1931, à la suite d’un pari [5] avec Charles Learned sur qui pourrait remplacer le liquide dans les “gelées” avec du gaz sans provoquer de rétrécissement. [6] [7]

Les aérogels sont produits en extrayant le composant liquide d’un gel par un séchage supercritique . Ceci permet au liquide d’être séché lentement sans provoquer l’effondrement de la matrice solide dans le gel par capillarité , comme cela se produirait avec l’ évaporation conventionnelle . Les premiers aérogels ont été produits à partir de gels de silice . Le travail ultérieur de Kistler impliquait des aérogels à base d’ alumine , de chrome et de dioxyde d’étain . Les aérogels de carbone ont été développés à la fin des années 1980. [8]

L’aérogel n’a pas de matériau désigné avec une formule chimique donnée mais le terme est utilisé pour regrouper tout le matériau avec une certaine structure géométrique. [9]

Propriétés

Malgré leur nom, les aérogels sont des matériaux solides, rigides et secs qui ne ressemblent pas à un gel dans leurs propriétés physiques: le nom vient du fait qu’ils sont fabriqués à partir de gels. En appuyant doucement sur un aérogel ne laisse généralement pas une marque mineure; presser plus fermement laissera une dépression permanente. Une pression extrêmement ferme provoquera une rupture catastrophique de la structure clairsemée, l’amenant à se briser comme du verre – une propriété connue sous le nom de friabilité ; bien que les variations plus modernes n’en souffrent pas. Malgré le fait qu’il est sujette à l’éclatement, il est très fort structurellement. Ses impressionnantes capacités portantes sont dues à la microstructure dendritique , dans laquelle des particules sphériques de taille moyenne (2-5 nm ) sont fusionnés en groupes. Ces amas forment une structure tridimensionnelle hautement poreuse de chaînes presque fractales , avec des pores d’un peu moins de 100 nm. La taille moyenne et la densité des pores peuvent être contrôlées pendant le processus de fabrication.

L’aérogel est un matériau à 98,2% d’air. L’aérogel a un réseau solide poreux qui contient des poches d’air, les poches d’air occupant la plus grande partie de l’espace dans le matériau. [10]Le manque de matière solide permet à l’aérogel d’être presque apesanteur.

Les aérogels sont de bons isolants thermiques car ils annulent presque 2 des trois méthodes de transfert de chaleur – la conduction (elles sont principalement composées de gaz isolant) et la convection (la microstructure empêche les mouvements nets de gaz). Ils sont de bons isolants conducteurs car ils sont composés presque entièrement de gaz, qui sont de très mauvais conducteurs thermiques. (L’aérogel de silice est un isolant particulièrement bon car la silice est aussi un mauvais conducteur de la chaleur, un aérogel métallique ou carboné, par contre, serait moins efficace.) Ils sont de bons inhibiteurs convectifs car l’air ne circule pas dans le treillis. Les aérogels sont pauvres radiatif isolants parce que les rayons infrarouges (qui transfèrent la chaleur) les traversent.

En raison de sa nature hygroscopique , l’aérogel est sec et agit comme un puissant dessicant . Les personnes manipulant l’aérogel pendant des périodes prolongées devraient porter des gants pour empêcher l’apparition de taches sèches et fragiles sur leur peau.

La légère couleur qu’il a est due à la diffusion de Rayleigh des longueurs d’ onde plus courtes de la lumière visible par la structure dendritique nanométrique. Cela le fait apparaître bleu fumé sur fond sombre et jaunâtre sur fond clair.

Les aérogels sont eux-mêmes hydrophiles , mais un traitement chimique peut les rendre hydrophobes . S’ils absorbent l’humidité, ils subissent habituellement un changement structurel, tel qu’une contraction, et se détériorent, mais la dégradation peut être évitée en les rendant hydrophobes. Les aérogels à l’intérieur hydrophobe sont moins sensibles à la dégradation que les aérogels avec seulement une couche hydrophobe externe, même si une fissure pénètre dans la surface.

Effet Knudsen

Les aérogels peuvent avoir une conductivité thermique inférieure à celle du gaz qu’ils contiennent. Ceci est causé par l’ effet Knudsen , une réduction de la conductivité thermique dans les gaz lorsque la taille de la cavité englobant le gaz devient comparable au libre parcours moyen . Effectivement, la cavité restreint le mouvement des particules de gaz, en diminuant la conductivité thermique en plus d’éliminer la convection. Par exemple, la conductivité thermique de l’air est d’environ 25 mW / m · K à STP et dans un grand récipient, mais diminue à environ 5 mW / m · K dans un pore de 30 nanomètres de diamètre. [11]

Structure

La structure de l’aérogel résulte d’une polymérisation sol-gel , c’est-à-dire lorsque des monomères (molécules simples) réagissent avec d’autres monomères pour former un sol ou une substance constituée de macromoléculesréticulées liées avec des dépôts de solution liquide entre elles. Lorsque le matériau est chauffé de manière critique, le liquide est évaporé et le cadre de macromolécule réticulé lié est laissé en arrière. Le résultat de la polymérisation et du chauffage critique est la création d’un matériau qui a une structure forte poreuse classée comme aérogel. [12]Les variations de synthèse peuvent modifier la surface et la taille des pores de l’aérogel. Plus la taille des pores est petite, plus l’aérogel est susceptible de se fracturer. [13]

Imperméabilisant

L’aérogel contient des particules de 2 à 5 nm de diamètre. Après le processus de création d’aérogel, il contiendra une grande quantité de groupes hydroxyles sur la surface. Les groupes hydroxyles peuvent provoquer une forte réaction lorsqu’ils sont placés dans l’eau. L’aérogel se dissoudra de façon catastrophique dans l’eau. Une façon d’imperméabiliser l’ aérogel hydrophile est de tremper l’aérogel avec une base chimique qui remplacera les groupes hydroxyle de surface (-OH) par des groupes non polaires (-OR), un procédé qui est le plus efficace lorsque R est un groupe aliphatique . [14]

Porosité de l’aérogel

Il y a plusieurs façons de déterminer la porosité de l’aérogel: les trois méthodes principales sont l’ adsorption de gaz , la porosimétrie au mercure et la méthode de diffusion. Dans l’adsorption de gaz, l’azote à son point d’ébullition est adsorbé dans l’échantillon d’aérogel. Le gaz adsorbé dépend de la taille des pores dans l’échantillon et de la pression partielle du gaz par rapport à sa pression de saturation . Le volume du gaz adsorbé est mesuré en utilisant la formule de Brunauer, Emmit et Teller ( BET ), qui donne la surface spécifique de l’échantillon. A une pression partielle élevée dans l’adsorption / désorption, l’équation de Kelvin donne la distribution de la taille des pores de l’échantillon. Dans la porosimétrie au mercure, le mercureest forcé dans le système poreux d’aérogel pour déterminer la taille des pores, mais cette méthode est très inefficace puisque le cadre solide d’aérogel s’effondrera de la force de compression élevée. La méthode de diffusion implique la déviation de rayonnement dépendante de l’angle dans l’échantillon d’aérogel. L’échantillon peut être des particules solides ou des pores. Le rayonnement va dans le matériau et détermine la géométrie fractale du réseau de pores de l’aérogel. Les meilleures longueurs d’onde de rayonnement à utiliser sont les rayons X et les neutrons. L’aérogel est également un réseau ouvert poreux: la différence entre un réseau poreux ouvert et un réseau poreux fermé est que dans le réseau ouvert, les gaz peuvent entrer et sortir de la substance sans aucune limitation, tandis qu’un réseau poreux fermé emprisonne les gaz dans le matériau. eux de rester dans les pores. [15] La grande porosité et la surface spécifique des aérogels de silice leur permettent d’être utilisés dans diverses applications de filtration environnementale.

Matériaux

Silice

L’aérogel de silice est le type le plus commun d’aérogel, et le plus largement étudié et utilisé. Il est à base de silice et peut être dérivé du gel de silice ou d’un procédé Stober modifié . La plus faible densité de la silice nanomousse pèse 1000 g / m 3 , [16] qui est la version évacué de la fiche-aérogel de 1 900 g / m 3 . [17] La densité de l’ air est de 1 200 g / m 3 (à 20 ° C et 1 atm). [18] En 2013 , l’ aérographène avait une densité plus faible à 160 g / m 3 , soit 13% de la densité de l’air à température ambiante. [19]

La silice se solidifie en grappes tridimensionnelles entrelacées qui ne représentent que 3% du volume. La conduction à travers le solide est donc très faible. Les 97% restants du volume sont composés d’air dans des nanopores extrêmement petits. L’air a peu d’espace pour bouger, ce qui inhibe à la fois la convection et la conduction en phase gazeuse. [20]

Les aérogels de silice ont également une transmission optique élevée de ~ 99% et un indice de réfraction bas de ~ 1,05. [21]

Il possède des propriétés isolantes thermiques remarquables, ayant une conductivité thermique extrêmement faible : de 0,03 W / (m · K ) [22] à la pression atmosphérique jusqu’à 0,004 W / (m · K) [16] dans le vide modeste, ce qui correspond à R – des valeurs de 14 à 105 (US usuelles) ou de 3,0 à 22,2 (métriques) pour une épaisseur de 3,5 in (89 mm). A titre de comparaison, l’isolation typique des murs est de 13 (US usuelle) ou de 2,7 (métrique) pour la même épaisseur. Son point de fusion est de 1 473 K (1 200 ° C, 2 192 ° F).

Jusqu’en 2011, l’aérogel de silice détenait 15 entrées dans Guinness World Records pour les propriétés des matériaux, y compris le meilleur isolant et le solide de plus faible densité, mais il a été évincé de l’ aérographe en 2012 [23] puis aérographène . [24] [25]

Carbone

Les aérogels de carbone sont composés de particules de taille nanométrique , liées de manière covalente . Ils ont une très grande porosité (supérieure à 50%, avec un diamètre de pores inférieur à 100 nm) et des surfaces comprises entre 400-1000 m 2 / g. Ils sont souvent fabriqués en papier composite: papier non-tissé en fibres de carbone , imprégné d’ aérogel resorcinol – formaldéhyde et pyrolysé . Selon la densité, les aérogels de carbone peuvent être électriquement conducteurs, ce qui rend le papier à aérogel composite utile pour les électrodes dans les condensateursou des électrodes de déionisation. En raison de leur surface extrêmement élevée, les aérogels de carbone sont utilisés pour créer des supercapacités , avec des valeurs allant jusqu’à des milliers de farads basés sur une densité de capacité de 104 F / g et 77 F / cm 3 . Les aérogels de carbone sont également extrêmement «noirs» dans le spectre infrarouge, reflétant seulement 0,3% du rayonnement entre 250 nm et 14,3 μm, ce qui les rend efficaces pour les capteurs solaires .

Le terme “aérogel” pour décrire des masses aériennes de nanotubes de carbone produits par certaines techniques de dépôt chimique en phase vapeur est incorrect. De tels matériaux peuvent être filés en fibres avec une résistance supérieure à celle du Kevlar et des propriétés électriques uniques. Cependant, ces matériaux ne sont pas des aérogels car ils n’ont pas de structure interne monolithique et n’ont pas la structure de pores régulière caractéristique des aérogels.

D’ oxyde métallique

Les aérogels d’ oxydes métalliques sont utilisés comme catalyseurs dans diverses réactions / transformations chimiques ou comme précurseurs d’autres matériaux.

Les aérogels faits d’oxyde d’aluminium sont connus sous le nom d’aérogels d’alumine. Ces aérogels sont utilisés comme catalyseurs, notamment lorsqu’ils sont “dopés” avec un métal autre que l’aluminium. L’ aérogel de nickel-aluminium est la combinaison la plus courante. Les aérogels d’alumine sont également considérés par la NASA pour capturer des particules d’hypervitesse; une formulation dopée avec du gadolinium et du terbium pourrait fluorescer au niveau du site d’impact des particules, la quantité de fluorescence dépendant de l’énergie d’impact.

L’une des différences les plus notables entre les aérogels de silice et l’aérogel d’oxyde métallique est que les aérogels d’oxydes métalliques sont souvent de couleurs variées.

Aérogel Couleur
Silice , alumine , oxyde de titane , zircone Clair avec diffusion Rayleigh bleu ou blanc
Oxyde de fer Rouille rouge ou jaune, opaque
Chromia Vert profond ou bleu foncé, opaque
Vanadia Vert olive, opaque
Oxyde de néodyme Violet, transparent
Samarie Jaune, transparent
Holmia , erbia Rose, transparent

[26]

Autre

Les polymères organiques peuvent être utilisés pour créer des aérogels. SEAgel est fait d’ agar . La cellulose des plantes peut être utilisée pour créer un aérogel flexible. [27]

Chalcogel est un aérogel fait de chalcogènes (la colonne d’éléments sur le tableau périodique commençant par l’oxygène) tels que le soufre, le sélénium et d’autres éléments. [28] Les métaux moins chers que le platine ont été utilisés dans sa création.

Des aérogels constitués de points quantiques de séléniure de cadmium dans un réseau poreux 3D ont été développés pour être utilisés dans l’industrie des semi-conducteurs. [29]

La performance de l’aérogel peut être augmentée pour une application spécifique par l’addition de dopants , de structures de renforcement et de composés d’hybridation. Aspen Aerogels fabrique des produits tels que Spaceloft [30] qui sont des composites d’aérogel avec une sorte de nappe fibreuse. [31]

Applications

Les aérogels sont utilisés pour une variété d’applications:

  • En 2004, environ 25 millions de dollars US de produits d’isolation en aérogel ont été vendus, ce qui représentait environ 500 millions de dollars US d’ici 2013. Ceci représente l’impact économique le plus important de ces matériaux aujourd’hui. Le potentiel de remplacer l’isolation conventionnelle par des solutions d’aérogel dans le secteur du bâtiment et de la construction ainsi que dans l’isolation industrielle est assez important. [32]
  • Sous forme granulaire pour ajouter de l’ isolation aux puits de lumière . Le projet Solar Decathlon House de la Georgia Institute of Technology de 2007 a utilisé un aérogel comme isolant dans le toit semi-transparent. [33]
  • Un adsorbeur chimique pour nettoyer les déversements. [34]
  • Un catalyseur ou un support de catalyseur.
  • Les aérogels de silice peuvent être utilisés dans des dispositifs d’imagerie, des optiques et des guides de lumière. [35]
  • Un matériau pour la filtration en raison de sa grande surface et porosité, à utiliser pour l’élimination des métaux lourds.
  • Agents épaississants dans certaines peintures et cosmétiques .
  • En tant que composants dans les absorbeurs d’énergie.
  • Cibles laser pour l’ installation nationale d’allumage .
  • Un matériau utilisé dans les coupleurs d’impédance pour transducteurs, haut-parleurs et télémètres. [36]
  • La fabrication commerciale de «couvertures» d’aérogels a commencé vers l’an 2000, combinant l’aérogel de silice et le renfort fibreux qui transforme l’aérogel fragile en un matériau durable et flexible. Les propriétés mécaniques et thermiques du produit peuvent varier en fonction du choix des fibres de renfort, de la matrice d’aérogel et des additifs d’opacification inclus dans le composite.
  • La NASA a utilisé un aérogel pour piéger les particules de poussière spatiale à bord du vaisseau spatial Stardust . Les particules se vaporisent à l’impact avec des solides et passent à travers les gaz, mais peuvent être piégées dans des aérogels. La NASA a également utilisé l’aérogel pour l’ isolation thermique du Mars Rover et des combinaisons spatiales . [37] [38]
  • L’ US Navy évalue les sous-vêtements en aérogel en tant que protection thermique passive pour les plongeurs. [39]
  • En physique des particules comme radiateurs dans les détecteurs à effet Cherenkov , tels que le système ACC du détecteur Belle, utilisé dans la Belle Expérience de KEKB . L’adéquation des aérogels est déterminée par leur faible indice de réfraction , remplissant l’espace entre les gaz et les liquides, et leur transparence et leur état solide, ce qui les rend plus faciles à utiliser que les liquides cryogéniques ou les gaz comprimés. Leur faible masse est également avantageuse pour les missions spatiales.
  • Les aérogels de résorcinol – formaldéhyde (polymères chimiquement similaires aux résines de phénol – formaldéhyde ) sont utilisés comme précurseurs pour la fabrication d ‘aérogels de carbone, ou lorsqu’un isolant organique de grande surface est désiré. Ils viennent en tant que matériau de haute densité, avec une zone de surface d’ environ 600 m 2 / g.
  • Les nanocomposites métal-aérogel préparés en imprégnant l’hydrogel avec une solution contenant des ions d’un métal de transition et en irradiant le résultat avec des rayons gamma , précipitent des nanoparticules du métal. De tels composites peuvent être utilisés comme catalyseurs , capteurs, blindages électromagnétiques et dans l’élimination des déchets. Une utilisation prospective de catalyseurs platine-sur-carbone est dans les piles à combustible .
  • En tant que système de délivrance de médicament en raison de sa biocompatibilité . En raison de sa grande surface et de sa structure poreuse, les médicaments peuvent être adsorbés à partir du CO
    2 supercritique . Le taux de libération des médicaments peut être adapté en faisant varier les propriétés de l’aérogel. [40]
  • Les aérogels de carbone sont utilisés dans la construction de petits supercondensateurs électrochimiques à double couche . En raison de la grande surface de l’aérogel, ces condensateurs peuvent être de 1 / 2000ème à 1 / 5000ème de la taille de condensateurs électrolytiques de même capacité. [41] Les supercondensateurs d’aérogel peuvent avoir une très faible impédance par rapport aux supercondensateurs normaux et peuvent absorber ou produire des courants de pointe très élevés. À l’ heure actuelle, ces condensateurs sont sensibles à la polarité et doivent être câblés en série pour obtenir une tension de travail supérieure à environ 2,75 V .
  • Dunlop Sport utilise l’aérogel dans certaines de ses raquettes pour le tennis, le squash et le badminton.
  • Dans la purification de l’eau, les chalcogels se sont montrés prometteurs pour absorber les polluants de métaux lourds comme le mercure, le plomb et le cadmium présents dans l’eau. [42]
  • L’aérogel peut introduire un trouble dans l’ hélium-3 superfluide . [43]
  • En déglaçage d’avions, une nouvelle proposition utilise un aérogel de nanotubes de carbone . Un filament mince est filé sur un enrouleur pour créer un film de 10 microns d’épaisseur, équivalent à une feuille de papier A4 . La quantité de matériau nécessaire pour couvrir les ailes d’un avion gros-porteur pèse 80 grammes (2,8 oz). Les aérothermes peuvent être laissés allumés en continu à faible puissance, pour empêcher la formation de glace. [44]
  • Tunnel de transmission d’isolation thermique de la Chevrolet Corvette (C7) . [45]
  • CamelBak utilise l’aérogel comme isolant dans une bouteille de sport thermique. [46]
  • 45 North utilise l’aérogel comme isolant de palme dans ses gants de cyclisme Sturmfist 5. [47]

Production

Les aérogels de silice sont typiquement synthétisés en utilisant un procédé sol-gel. La première étape est la création d’une suspension colloïdale de particules solides appelées “sol”. Les précurseurs sont un alcool liquide tel que l’éthanol qui est mélangé avec un alcoxyde de silicium , tel que le tétraméthoxysilane (TMOS), le tétraéthoxysilane (TEOS) et le polyéthoxydisiloxane (PEDS) (des travaux antérieurs utilisaient des silicates de sodium). [48] On mélange la solution de silice avec un catalyseur et on laisse gélifier pendant une réaction d’ hydrolyse qui forme des particules de dioxyde de silicium. [49] La suspension d’oxyde commence à subir des réactions de condensationqui aboutissent à la création de ponts d’oxydes métalliques (soit des ponts M-O-M, “oxo”, soit des ponts M-OH-M, ” ol “) reliant les particules colloïdales dispersées. [50] Ces réactions ont généralement des vitesses de réaction modérément lentes et, par conséquent, des catalyseurs acides ou basiques sont utilisés pour améliorer la vitesse de traitement. Les catalyseurs de base ont tendance à produire des aérogels plus transparents et à minimiser le rétrécissement pendant le processus de séchage et à le renforcer pour empêcher l’effondrement des pores au cours du séchage. [49]

Enfin, lors du processus de séchage de l’aérogel, le liquide entourant le réseau de silice est soigneusement retiré et remplacé par de l’air, tout en conservant l’aérogel intact. Les gels où le liquide peut s’évaporer à un taux naturel sont connus sous le nom de xérogels . Lorsque le liquide s’évapore, les forces causées par les tensions superficielles des interfaces liquide-solide sont suffisantes pour détruire le fragile réseau de gel. En conséquence, les xérogels ne peuvent pas atteindre les porosités élevées et à la place atteindre un pic à des porosités inférieures et présenter de grandes quantités de retrait après séchage. [51]

En 1931, pour développer les premiers aérogels, Kistler utilise un procédé connu sous le nom de séchage supercritique qui évite un changement de phase direct. En augmentant la température et la pression, il a forcé le liquide dans un état de fluide supercritique où, en faisant tomber la pression, il pouvait gazéifier instantanément et retirer le liquide à l’intérieur de l’aérogel, évitant ainsi d’endommager le délicat réseau tridimensionnel. Bien que cela puisse être fait avec de l’ éthanol , les températures et pressions élevées conduisent à des conditions de traitement dangereuses. Une méthode de pression et de température plus sûre implique un échange de solvant. Ceci est typiquement effectué en échangeant le liquide poreux initial aqueux pour un liquide miscible au CO 2 tel que l’éthanol ou l’ acétone., puis sur du dioxyde de carbone liquide et ensuite amener le dioxyde de carbone au-dessus de son point critique . Une variante de ce procédé implique l’injection directe de dioxyde de carbone supercritique dans le récipient sous pression contenant l’aérogel. Le résultat final de l’un ou l’autre processus échange le liquide initial du gel avec du dioxyde de carbone, sans laisser la structure de gel s’effondrer ou perdre du volume. [49]

L’ aérogel de résorcinol – formaldéhyde (aérogel RF) est fabriqué d’une manière similaire à la production d’aérogel de silice. Un aérogel de carbone peut alors être réalisé à partir de cet aérogel résorcinol-formaldéhyde par pyrolyse sous atmosphère de gaz inerte , laissant une matrice de carbone . Il est disponible dans le commerce sous forme de formes solides, de poudres ou de papier composite. Les additifs ont réussi à améliorer certaines propriétés de l’aérogel pour l’utilisation d’applications spécifiques. Airgel composites have been made using a variety of continuous and discontinuous reinforcements. The high aspect ratio of fibers such as fiberglass have been used to reinforce aerogel composites with significantly improved mechanical properties.

Sécurité

Les aérogels à base de silice ne sont pas connus pour être cancérogènes ou toxiques. Cependant, ils sont un irritant mécanique pour les yeux, la peau, les voies respiratoires et le système digestif. Les petites particules de silice peuvent potentiellement causer la silicose lorsqu’elles sont inhalées. Ils peuvent également provoquer une sécheresse de la peau, des yeux et des muqueuses. Par conséquent, il est recommandé de porter un équipement de protection comprenant une protection respiratoire, des gants et des lunettes de protection lors de la manipulation des aérogels. [52]

Voir aussi

  • Nanofoam de carbone
  • Nanogel
  • FOGBANK

Références

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