Secondo la I.U.P.A.C. gli aerogel sono uno dei materiali emergenti con ampio potenziale di utilizzo nei vari rami della tecnologia. Sono una classe speciale di materiali simili a un gel in cui la parte liquida viene sostituita dal gas senza che ne sia modificata la forma.
Essi, infatti, si ottengono, dopo l’estrazione del solvente dei gel umidi mediante processi specifici che consentono di sostituire il solvente con un gas e di mantenere il reticolo tridimensionale e il volume iniziale. Di conseguenza, gli aerogel sono materiali solidi nanoporosi riempiti d’aria, dotati di proprietà specifiche, come porosità molto elevata, peso e densità ridotti, ampia superficie e bassa conduttività termica.
Gli aerogel sono noti per le loro proprietà caratteristiche che li differenziano da altri materiali e in particolare per la densità estremamente bassa che vanno da 0.0011 a 0.5 g cm -3
Queste proprietà li rendono adatti a numerose applicazioni in campi molto diversi, come l’isolamento, la purificazione di gas o acque, l’aerospaziale, le tecnologie biomediche.
Classificazione degli aerogel
Sulla base della loro composizione sono classificati in organici costituiti da grafene e nanotubi di carbonio, inorganici in cui sono presenti ossidi come il biossido di titanio TiO2, il biossido di silicio SiO2, di alluminio Al2O3, di zirconio ZrO2 e di ossido di stagno SnO2.
Vi sono poi gli aerogel compositi costituiti da due ossidi SiO2– TiO2, e TiO2-ZnO. Gli aerogel organici si ottengono da precursori come la resine fenoliche ottenute dalla reazione tra formaldeide e fenolo, quelli inorganici derivano da precursori come alcossidi metallici o sali metallici mentre i compositi sono ottenuti da una miscela di precursori sia organici che inorganici.
Tra gli inorganici, gli aerogel di biossido di silicio costituiti da una struttura mesoporosa con legami Si-O-Si interconnessi sono la classe di materiali commercialmente più importante e ampiamente studiata che hanno elevata porosità, ampia superficie e conduttività termica eccezionalmente bassa. Il loro primo utilizzo, infatti, fu nella realizzazione di coperte termiche.
Gli aerogel a base di polimeri sintetici tuttavia hanno una scarsa biodegradabilità, sono ottenuti da precursori tossici e i prodotti di degradazione sono dannosi per l’ambiente. L’attenzione si è spostata sulla fabbricazione di aerogel da materiali biologici utilizzando, come precursori polisaccaridi come cellulosa, chitosano, alginato e amido oppure proteine, polimeri derivati da biomasse.
Usi degli aerogel
La loro bassa conduttività termica li ha resi utili nelle missioni scientifiche: l’aerogel di silice è stato utilizzato per la prima volta come isolante sul Mars Rover, Sojourner, come parte della missione Pathfinder nel 1997 per l’esplorazione di Marte. Confezionato in scatole chiamate Warm Electronics Boxes è stato usato per proteggere alcune apparecchiature elettroniche dalle temperature estremamente basse.
In campo medico sono utilizzati nell’ingegneria tissutale per la rigenerazione di diversi tipi di tessuti, come ossa, pelle, vasi sanguigni e cartilagini e in altre diverse applicazioni, come la somministrazione di farmaci e proteine, dispositivi medici impiantabili e innesti ossei.
Nel campo della Chimica verde sono stati ottenuti elettrodi verdi e sostenibili, come soluzione per l’inquinamento e altri problemi ambientali. Sono stati usati nei sensori e dispositivi di accumulo e conversione dell’energia, come, ad esempio nei supercondensatori, dove hanno dimostrato eccellenti proprietà termiche e meccaniche.
Nel campo della protezione ambientale, l’aerogel a base di cellulosa può essere utilizzato come adsorbente per assorbire olio e altre sostanze organiche dall’acqua e nell’adsorbimento e nella rimozione delle acque reflue. Inoltre, gli aerogel a base di carbonio da biomassa possono rimuovere vari ioni di metalli pesanti nell’acqua, come Co(II), Cd(II), Pb(II) e Sr(II).
Storia degli aerogel
Questi materiali ultraleggeri e porosi costituiti per il 99.8% da aria, sono stati ottenuti per la prima volta dal chimico e ingegnere chimico statunitense Samuel Kistler le cui ricerche furono pubblicate il 16 maggio 1931 in un articolo su Nature.
Tuttavia la scoperta è avvolta nel mistero infatti non si conosce dove sia stato sintetizzato per la prima volta me si suppone o presso il College of the Pacific in California che, tuttavia aveva strutture sperimentali limitate o presso l’Università di Stanford dove Kristler aveva conseguito il dottorato di ricerca.
Inoltre si ritiene che la sintesi del primo aerogel di cui non è nota la data sia nata per una scommessa tra Kistler e il suo amico Charles Learned nata per poter dimostrare se si poteva sostituire il liquido all’interno di un barattolo di gelatina senza causare alcun restringimento.
Alla scoperta degli aerogel non fu data la giusta rilevanza e per i tre decenni successivi furono in gran parte dimenticati sia perché il processo per realizzarli era laborioso e costoso, oltre che potenzialmente esplosivo, sia perché le loro proprietà non erano sufficientemente apprezzabili per scopi di commercializzazione.
La morte di Kistler avvenne nel 1975 poco prima che gli aerogel fossero rivalutati, grazie allo sviluppo di un metodo di produzione più sicuro ed efficiente da parte di scienziati francesi.