Les aérogels sont connus sous le nom de « fumée congelée » en raison de leur aspect bleu fantomatique. NASA/JPL-Caltech Aérogel, un matériel créé sur un pari entre deux scientifiques à la fin des années 1920, peut être la substance la plus unique sur Terre. C'est le solide le plus léger qui existe - Guinness World Records l'a même dit - mais il peut supporter 500 à 4, 000 fois son propre poids (selon qui vous demandez) [source :NASA JPL, Guiness ; Steiner, Gravité zéro]. Un pouce cube d'aérogel pourrait être étalé pour couvrir tout un terrain de football. Il est respirant et ignifuge, et il absorbe à la fois l'huile et l'eau. L'aérogel est aussi incroyablement fort, vu son poids. Les aérogels peuvent être de grands conducteurs électriques, Pourtant, lorsqu'il est fabriqué à partir de matériaux différents, ils sont aussi l'un des meilleurs isolants jamais connus [source :Steiner, Gravité zéro]. Alors pourquoi les aérogels n'ont-ils pas la notoriété qu'ils méritent ?
Malheureusement, produire un produit aussi unique demande énormément de temps et d'argent, en partie parce que seule une très petite quantité d'aérogel est fabriquée dans chaque lot. Même si produire plus d'aérogel à la fois ferait baisser son prix, le processus et les matériaux à eux seuls ont un prix élevé d'environ 1,00 $ par centimètre cube. À environ 23 $, 000 par livre, l'aérogel est actuellement plus cher que l'or [source :NASA JPL, FAQ] !
Un produit aussi précieux semblerait appartenir à côté des diamants et des perles dans la boîte à bijoux d'une héritière. Mais l'aérogel est plus susceptible d'isoler une fusée ou d'épaissir la peinture que d'orner les riches mondains. Bien que les aérogels ne soient pas aussi glamour que l'or, ils accomplissent leurs tâches sans pair.
Dans cet article, nous explorerons ce qui rend les aérogels uniques, de leur découverte en Californie à la fin des années 1920, à leur voyage pour collecter la poussière spatiale en 1999. Nous verrons également ce que l'avenir réserve aux aérogels et s'il existe effectivement un moyen de les rendre plus rentables pour le grand public. Finalement, nous allons vous montrer comment vous pouvez faire votre propre aérogel -- étonnamment, ça peut être fait.
Lisez la suite pour en savoir plus sur la façon dont l'aérogel a fait son apparition et sur la façon dont cette substance adaptable est fabriquée.
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La légende de l'aérogel est entourée de mystère. Ce que nous savons, c'est qu'à la fin des années 1920, Le professeur de chimie américain Samuel Kistler avait un pari avec son collègue Charles Learned. Kistler croyait que ce qui faisait d'un objet un gel n'étaient pas ses propriétés liquides mais sa structure :spécifiquement, son réseau de minuscules, pores microscopiques appelés nanopores. Essayer de le prouver en évaporant simplement le liquide a conduit le gel à se dégonfler comme un soufflé. Donc, le but du jeu était d'être le premier à remplacer le liquide des "gelées" par du gaz, mais sans endommager la structure [source :Steiner, Gravité zéro].
Après de nombreux essais et erreurs, Kistler a été le premier à remplacer avec succès le liquide du gel par un gaz, créer une substance qui était structurellement un gel, mais sans liquide. En 1931, il publia ses découvertes dans un article intitulé « Coherent Expanded Aerogels and Jellies » dans la revue scientifique Nature [source :Ayers, Pionnier].
L'aérogel commence comme un gel, appelé alcogel . Alcogel est un gel de silice avec de l'alcool à l'intérieur de ses pores. La simple évaporation de l'alcool hors de la structure de silice entraînerait la contraction de la structure, un peu comme une éponge humide se déforme lorsqu'on la laisse sécher sur un comptoir. Au lieu de compter uniquement sur l'évaporation, le gel doit être séché de manière supercritique. Voici ce qu'il faut :
Le séchage supercritique est la façon dont la partie liquide "alco" de l'alcogel se transforme en gaz dans les nanopores de la silice sans que la structure ne s'effondre. L'alcogel sans alcool s'appelle maintenant aérogel, car l'alcool a été remplacé par de l'air. Avec seulement 50 à 99 pour cent du volume du matériau d'origine, l'aérogel est une lumière, matériau souple et utile [source :Steiner, Gravité zéro].
Passez à la page suivante pour en savoir plus sur les types d'aérogels les plus courants utilisés aujourd'hui.
Les trois types d'aérogels les plus courants sont la silice, oxydes de carbone et métalliques, mais c'est la silice qui est le plus souvent utilisée expérimentalement et dans des applications pratiques. Quand les gens parlent d'aérogels, il y a de fortes chances qu'ils parlent du type de silice [source :Aerogel.org, Silice]. La silice ne doit pas être confondue avec le silicium, qui est un semi-conducteur utilisé dans les puces électroniques. La silice est un matériau vitreux souvent utilisé pour l'isolation.
Contrairement aux aérogels de silice bleu fumé, ceux à base de carbone sont noirs et ressemblent au charbon de bois au toucher. Ce qui leur manque en apparence, ils compensent par une surface élevée et des capacités électriquement conductrices. Ces propriétés rendent les aérogels de carbone utiles pour les supercondensateurs, piles à combustible et systèmes de dessalement [source :Aerogel.org, Biologique].
Les aérogels d'oxydes métalliques sont fabriqués à partir d'oxydes métalliques et sont utilisés comme catalyseurs de transformations chimiques. Ils sont également utilisés dans la production d'explosifs et de nanotubes de carbone, et ces aérogels peuvent même être magnétiques. Ce qui distingue les aérogels d'oxydes métalliques tels que l'oxyde de fer et le chrome de leurs cousins de silice plus courants, c'est leur gamme de couleurs étonnamment vives. Lorsqu'il est transformé en aérogel, l'oxyde de fer donne à un aérogel sa couleur rouille caractéristique. Les aérogels de chrome apparaissent en vert foncé ou en bleu. Chaque type d'oxyde métallique donne un aérogel d'une couleur légèrement différente. [source :Aerogel.org, Métal].
Les aérogels de silice - les aérogels les plus courants - sont bleus pour la même raison que le ciel est bleu. La couleur bleue se produit lorsque la lumière blanche rencontre les molécules de silice de l'aérogel, qui sont plus grandes que les longueurs d'onde de la lumière. L'aérogel se disperse, ou reflète, les longueurs d'onde plus courtes de la lumière plus facilement que les plus longues. Parce que la lumière bleue et violette ont les longueurs d'onde les plus courtes, elles se dispersent plus que les autres couleurs du spectre visible. Nous voyons les longueurs d'onde dispersées comme la couleur, et puisque nos yeux sont plus sensibles aux longueurs d'onde bleues, on ne voit jamais les violettes [source :Steiner, Gravité zéro].
Lisez la suite pour en savoir plus sur les applications des aérogels dans l'espace.
Eau contre alcoolLes alcogels ont leurs pores remplis d'alcool, mais et si vous utilisiez de l'eau à la place ? Dans ses premières expériences, Kistler utilisé hydrogels , qui contenait de l'eau. Lors du séchage, ces gels se comportent comme Jell-O. Ils se décomposent en un gluant, blob désordonné parce que le liquide dans l'hydrogel s'évapore trop rapidement pour que la substance conserve sa forme. Avec chaque molécule qui s'infiltre, d'autres essaient de combler les lacunes. Cela provoque ce qu'on appelle tension capillaire dans les pores du gel, provoquant l'effondrement de toute la structure [source :Hunt et Ayers, Histoire].
Ce dépoussiéreur pour le vaisseau spatial STARDUST était équipé de 260 panneaux d'aérogel. NASA/JPL-Caltech La polyvalence d'Aerogel l'a rendu très important à la fois sur Terre et dans l'espace. Il a rempli divers rôles dans plusieurs missions de la NASA, de l'isolation de l'équipement électrique des rovers martiens à la capture de la poussière spatiale d'une comète qui accélère.
Les comètes sont des objets primitifs qui remontent à la naissance du système solaire. Alors qu'ils volent dans l'espace, ils rejettent des particules appelées poussières spatiales. Cette poussière spatiale est très recherchée par les scientifiques qui espèrent qu'elle nous apprendra comment notre monde a commencé.
En mission pour capturer des échantillons de comètes et de la poussière spatiale en 1999, La NASA a lancé un vaisseau spatial qui a parcouru 4,8 milliards de kilomètres (l'équivalent de 6, 000 voyages vers la lune) pour atteindre la comète Wild 2. Une fois là-bas, le dépoussiéreur en forme de raquette de tennis s'est ouvert et a utilisé ses 260 cubes d'aérogel pour capturer les particules rapides de poussière interstellaire et les conserver dans leur état naturel [source :NASA JPL, Aérogel]. Quoi de plus, alors que des particules bombardaient le dépoussiéreur, ils ont laissé des traces dans les cubes d'aérogel du collecteur tout en ralentissant jusqu'à s'arrêter. Ces pistes ont permis aux scientifiques de trouver plus facilement les minuscules particules depuis l'espace.
Lorsque le vaisseau spatial est arrivé à la maison en 2006, il a ramené les premiers échantillons ramenés sur Terre depuis l'espace depuis plus de 30 ans. La durabilité de l'aérogel a permis au dépoussiéreur de revenir de l'espace intact sans qu'il ne manque une seule tuile d'aérogel. Les scientifiques ont pu étudier la poussière et les cristaux contenus dans l'aérogel et attendent les informations qu'ils pourraient apporter [source :Bridges].
Prochain, nous découvrirons certaines des applications commerciales de l'aérogel.
Les crayons sur le dessus de l'aérogel sont protégés de la flamme en dessous. Des aérogels de silice similaires ont été utilisés pour isoler le rover de Mars. NASA/JPL-Caltech Dans leurs premiers jours, les aérogels étaient commercialisés comme agents épaississants et utilisés dans tout, du maquillage à la peinture en passant par le napalm. Ils ont également été utilisés comme filtres à cigarettes et isolants pour les congélateurs. Monsanto a été la première entreprise à commercialiser les applications commerciales de l'aérogel. Cependant, La méthode de séchage supercritique de Kistler, bien qu'efficace, était aussi dangereux, chronophage et coûteux. Après 30 ans de production, tous ces facteurs ont conduit Monsanto à cesser de se concentrer sur les aérogels dans les années 1970.
Cependant, ce n'était pas la fin de l'aérogel. Peu de temps après son abandon par Monsanto, les scientifiques ont mis au point un processus qui a rendu la production d'aérogels moins toxique en utilisant un composé alcoxyde plus sûr. Ils l'ont également rendu moins dangereux en remplaçant l'alcool supercritique par du dioxyde de carbone supercritique dans le processus de séchage. Ces développements ont permis de réduire le temps de séchage des aérogels et le caractère dangereux et inflammable de leur production. De telles avancées ont rendu l'aérogel un peu plus viable commercialement à nouveau, et les scientifiques sont devenus intrigués par les possibilités du produit. [source :Hunt et Ayers, Histoire]
Comme la production d'aérogel a été rendue moins compliquée et dangereuse, ses propriétés uniques ont rendu l'aérogel populaire auprès de nombreuses industries. Fabricants de silicium, les fabricants de matériaux de construction résidentielle et les agences spatiales ont tous utilisé l'aérogel. Sa popularité n'a été entravée que par le coût, bien qu'il y ait une poussée de plus en plus réussie pour créer des aérogels rentables. En attendant, les aérogels peuvent être trouvés dans une gamme de produits :
[source :Aerogel.org, Histoire moderne]
En raison de la structure unique de l'aérogel, son utilisation comme isolant est une évidence. Les poches d'air super-isolantes avec la structure de l'aérogel contrecarrent presque entièrement les trois modes de transfert de chaleur :convection, conduction et rayonnement [source :Cabot Corporation]. Même si l'aérogel est encore assez cher, la bonne nouvelle est que des études ont montré que l'isolant aérogel utilisé dans la charpente murale et les zones difficiles à isoler comme les solins de fenêtre peut faire économiser jusqu'à 750 $ par an au propriétaire. En plus d'aider les propriétaires à économiser de l'argent, L'isolation en aérogel peut réduire considérablement votre empreinte carbone. [source :Aspen Aerogels, Nouveau grenier de l'espace]. Les entreprises se précipitent pour trouver un moyen de réduire les coûts, mais pour l'instant, les aérogels sont plus abordables pour la NASA que pour le grand public. Toujours, les aérogels sont utilisés par les entreprises de construction, centrales électriques et raffineries. Peut-être quand c'est plus abordable, l'aérogel atteindra ce statut de liste A.
De la Terre à l'espace, les aérogels ont sans aucun doute une place dans notre avenir. Lisez la suite pour en savoir plus sur les récents progrès de l'aérogel et comment vous, trop, peut expérimenter avec l'aérogel.
Une brique de 5,5 livres est soutenue par un morceau d'aérogel de silice pesant seulement 2 grammes (0,07 once). NASA/JPL-Caltech Bien que l'aérogel soit cher, les chercheurs expérimentent encore des moyens de le rendre plus fort, moins cher et moins dangereux. Par exemple, Le professeur Nicholas Leventis de l'Université des sciences et technologies du Missouri a étonné le monde scientifique en 2002 en annonçant qu'il avait développé une méthode pour fabriquer des aérogels non cassants. les aérogels de Leventis, connu comme x-aérogels , ne sont pas seulement plus forts; ils sont aussi plus flexibles, imperméable et résistant aux chocs. L'inconvénient est que la production de x-aerogel nécessite plus de produits chimiques dangereux et prend plus de temps; ces produits chimiques diminuent également sa capacité d'isolation [source :Aerogel.org, Fort]. Malgré quelques points négatifs, Les x-aerogels ont les applications possibles suivantes :
[source :Leventis]
En outre, les aérogels pourraient aider à promouvoir une technologie plus « verte ». L'aérogel de carbone présente un grand potentiel pour les supercondensateurs et les piles à combustible pour les automobiles économes en énergie. En réalité, la capacité de stockage d'énergie de l'aérogel de carbone pourrait apporter une multitude de nouvelles technologies, mais seulement si le prix de production de l'aérogel devient plus abordable pour les opérations à grande échelle.
La bonne nouvelle est que vous n'avez pas besoin d'être un chercheur bien financé pour expérimenter la fabrication de nouveaux aérogels. Vous voulez faire votre propre aérogel ? Bien qu'il soit possible de le faire à la maison, il est préférable de le faire dans un laboratoire qui contient tout le matériel nécessaire, y compris un autoclave pour sécher de manière supercritique votre aérogel. (Si vous vous sentez super productif, voici des instructions sur la façon de fabriquer votre propre séchoir supercritique.) Renseignez-vous auprès de votre université ou collège communautaire local; il y a des chances, si vous leur dites que vous avez une recette avec laquelle vous voulez travailler, ils peuvent vous laisser utiliser leur équipement [source :Hunt and Ayers, Fabrication; Aerogel.org, Construire].
Plusieurs sites Web fournissent des instructions sur la façon de fabriquer des aérogels, y compris aerogel.org et celui-ci de l'Université de Californie. Peu importe où vous fabriquez votre aérogel, les précautions de sécurité sont un must. Portez des lunettes de protection, des gants (les meilleurs sont les gants de vaisselle), pantalons longs, des chaussures fermées et un masque de peintre pour vous protéger des vapeurs dangereuses et des matières inflammables. [source :Steiner, Comment faire; Hunt et Ayers, Fabrication]
Aérogels - y a-t-il quelque chose qu'ils ne puissent pas faire ? Espérons que le public sera sur une base de prénom avec eux dans un proche avenir. Pour plus d'informations sur les aérogels et les sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.
