Comment Fonctionnent Les Aérogels

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Les aérogels sont des matériaux incroyables qui pourraient avoir des dizaines d'utilisations allant de l'isolation au nettoyage des marées noires. En savoir plus sur les aérogels dans cet article.

L'aérogel, un matériau créé sur un pari entre deux scientifiques à la fin des années 1920, est peut-être la substance la plus unique sur Terre. C'est le plus léger solide existant - Guinness World Records l'a même dit - mais il peut supporter 500 à 4000 fois son propre poids (selon celui que vous demandez) . Un pouce cube d'aérogel pourrait être étendu pour couvrir un terrain de football entier. Il est respirant, ignifuge et absorbe l'huile et l'eau. L'aérogel est également incroyablement fort, compte tenu de son poids. Les aérogels peuvent être d'excellents conducteurs électriques, mais, lorsqu'ils sont fabriqués à partir de matériaux différents, ils constituent également l'un des meilleurs isolants jamais connus . Alors, pourquoi les aérogels n’ont-ils pas la reconnaissance de noms A-list qu’ils méritent?

Malheureusement, la fabrication d'un produit aussi unique prend 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 procédé et les matériaux seuls coûtent environ 1,00 $ par centimètre cube. À environ 23 000 dollars la livre, l’aérogel est actuellement plus cher que l’or !

Un tel produit de valeur semblerait appartenir aux diamants et aux perles de la boîte à bijoux d'une héritière. Mais il est plus probable que l’aérogel soit isolé pour isoler une fusée ou pour épaissir la peinture que pour orner les riches mondains. Bien que les aérogels ne soient peut-être pas aussi prestigieux que de l’or, ils effectuent leurs tâches sans égal.

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 de collecte de la poussière spatiale en 1999. Nous verrons également ce que l'avenir nous réserve pour les aérogels et s'il manière de les rendre plus rentables pour le grand public. Enfin, nous vous montrerons comment créer votre propre aérogel - étonnamment, cela peut être fait.

Lisez la suite pour en savoir plus sur la première apparition de l'aérogel et sur la fabrication de cette substance adaptable.

Histoire de l'aérogel

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 fait un pari avec son collègue Charles Learned. Kistler pense que ce qui fait qu'un objet est un gel n'est pas ses propriétés liquides mais sa structure: plus précisément 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. Ainsi, le but du jeu était d'être le premier à remplacer le liquide dans les "gelées" par du gaz, mais sans endommager la structure .

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Après de nombreux essais et erreurs, Kistler a été le premier à remplacer avec succès le liquide du gel par un gaz, créant une substance qui était structurellement un gel, mais sans liquide. Dès 1931, il publia ses conclusions dans un article intitulé "Aerogels et gelées expansés cohérents" dans la revue scientifique Nature .

L'aérogel commence sous forme de gel, appelé alcogel. Alcogel est un gel de silice avec de l'alcool dans ses pores. La simple évaporation de l'alcool de la structure en silice provoquerait une contraction de la structure, tout comme une éponge humide se déforme lorsqu'elle est laissée à sécher. Au lieu de compter uniquement sur l'évaporation, le gel doit être séché surcritiquement. Voici ce qu'il faut:

  1. Pressurisez et chauffez le gel au-delà de son point critique - le point où il n'y a pas de différence entre gaz et liquide.
  2. Dépressurisez le gel tant qu'il reste au-dessus de sa température critique. Lorsque la pression diminue, les molécules sont libérées sous forme de gaz et le fluide devient moins dense.
  3. Retirez le gel de votre source de chaleur. Une fois la structure refroidie, il n’ya plus assez d’alcool pour se reconstituer dans un liquide, de sorte qu’il redevient un gaz.
  4. Vérifiez votre produit final. Ce qui reste est un solide en silice, mais maintenant rempli de gaz (air) où il y avait un liquide.

Le séchage supercritique est la façon dont la partie "alco" liquide de l'alcogel se transforme en un gaz à l'intérieur des nanopores de la silice sans que la structure ne s'effondre. L'alcogel avec son alcool enlevé s'appelle maintenant l'aérogel, car l'alcool a été remplacé par l'air. Avec seulement 50 à 99% du volume du matériau d'origine, l'aérogel est un matériau léger, flexible et utile .

Passez à la page suivante pour en savoir plus sur les types d'aérogels les plus couramment utilisés aujourd'hui.

Types d'aérogels

Les trois types d'aérogels les plus courants sont la silice, le carbone et les oxydes métalliques, mais c'est la silice qui est le plus souvent utilisée à des fins expérimentales et pratiques. Quand les gens parlent d'aérogels, il est probable qu'ils parlent du type de silice . La silice ne doit pas être confondue avec le silicium, qui est un semi-conducteur utilisé dans les micropuces. La silice est un matériau vitreux souvent utilisé pour l'isolation.

Contrairement aux aérogels de silice bleu fumée, les aérogels à base de carbone sont noirs et ont l’impression de donner du charbon au toucher. Ce qui leur manque en apparence, ils la compensent pour leur grande surface et leurs capacités conductrices de l'électricité. Ces propriétés rendent les aérogels de carbone utiles pour les supercondensateurs, les piles à combustible et les systèmes de dessalement .

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 l'oxyde de chrome de leurs cousins ​​de la silice plus courants est leur gamme de couleurs étonnamment vives. Lorsqu'il est transformé en aérogel, l'oxyde de fer confère à cet aérogel sa couleur rouille. Les aérogels de chromia apparaissent en vert foncé ou en bleu. Chaque type d’oxyde métallique donne un aérogel d’une couleur légèrement différente. .

Les aérogels de silice - les aérogels les plus courants - sont bleus pour la même raison que le ciel est bleu. La couleur bleue apparaît 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 diffuse ou réfléchit plus facilement les longueurs d'onde de la lumière 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'ondes dispersées sous forme de couleurs, et comme nos yeux sont plus sensibles aux longueurs d'ondes bleues, nous ne voyons jamais les violettes .

Lisez la suite pour en savoir plus sur les applications des aérogels dans l'espace.

Eau vs alcool

Alcogels ont les pores remplis d'alcool, mais si vous utilisiez de l'eau à la place? Dans ses premières expériences, Kistler a utilisé les hydrogels, qui contenait de l'eau. Lors du séchage, ces gels se comportent comme Jell-O. Ils se décomposent en une goutte gluante et sale, car 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 stress capillaire dans les pores du gel, provoquant l’effondrement de la structure entière .

Aérogels dans l'espace

Ce dépoussiéreur pour le vaisseau spatial STARDUST était équipé de 260 panneaux pour aérogels.

Ce dépoussiéreur pour le vaisseau spatial STARDUST était équipé de 260 panneaux pour aérogels.

La polyvalence d’Aerogel lui confère une grande importance tant sur la Terre que dans l’espace. Il a rempli divers rôles dans plusieurs missions de la NASA, allant de l'isolation de l'équipement électrique des rovers martiens à la capture de la poussière spatiale provenant d'une comète à grande vitesse.

Les comètes sont des objets primitifs qui remontent à la naissance du système solaire. Lorsqu'ils volent dans l'espace, ils rejettent des particules appelées poussière spatiale. Les scientifiques espèrent que cette poussière nous apprendra comment notre monde a commencé.

Dans le cadre d'une mission visant à capturer des échantillons de comètes et de la poussière spatiale en 1999, la NASA a lancé un engin spatial parcourant 4,8 milliards de kilomètres (l'équivalent de 6 000 allers-retours sur la lune) pour atteindre la comète Wild 2. Une fois sur place, le dépoussiéreur en forme de raquette de tennis et a utilisé ses 260 cubes d’aérogel pour capturer les particules rapides de poussière interstellaire et les préserver dans leur état naturel . De plus, lorsque les particules ont bombardé le collecteur de poussière, elles ont laissé des traînées dans les cubes d'aérogel du collecteur tout en ralentissant. Ces pistes ont permis aux scientifiques de trouver plus facilement les minuscules particules de l'espace.

Lorsque l’engin spatial est arrivé chez lui en 2006, il a ramené les premiers échantillons de l’espace renvoyés sur Terre depuis plus de 30 ans. La durabilité d’Aerogel a permis au dépoussiéreur de revenir intact de l’espace sans qu’il ne manque plus une tuile d’aérogel. Les scientifiques ont pu étudier la poussière et les cristaux contenus dans l'aérogel et attendre les informations qu'ils pourraient apporter .

Nous verrons ensuite certaines applications commerciales d’Aerogel.

Utilisations quotidiennes de l'aérogel

Les crayons sur l'aérogel sont protégés de la flamme en dessous. Des aérogels de silice similaires ont été utilisés pour isoler le mobile Mars.

Les crayons sur l'aérogel sont protégés de la flamme en dessous. Des aérogels de silice similaires ont été utilisés pour isoler le mobile Mars.

À leurs débuts, les aérogels étaient commercialisés comme agents épaississants et utilisés dans tous les domaines, du maquillage et de la peinture au napalm. Ils ont également été utilisés comme filtres de cigarettes et isolants pour les congélateurs. Monsanto a été la première société à commercialiser les applications commerciales d’Aerogel. Cependant, la méthode de séchage supercritique de Kistler, bien que efficace, était aussi dangereuse, longue et coûteuse. Après 30 ans de production, tous ces facteurs ont amené 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 procédé rendant la production d’aérogels moins toxique grâce à l’utilisation d’un composé d’alcoolate plus sûr. Ils 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 la nature dangereuse et inflammable de leur production. Ces avancées ont rendu l’aérogel un peu plus viable sur le plan commercial, et les scientifiques ont été intrigués par les possibilités offertes par le produit.

La production d’Aerogel étant moins compliquée et moins dangereuse, ses propriétés uniques ont rendu l’aérogel populaire auprès de nombreuses industries. Les fabricants de silicium, les fabricants de matériaux de construction résidentielle et les agences spatiales ont tous mis l’aérogel à leur service. Sa popularité n’a été entravée que par ses coûts, bien que l’on s’efforce de plus en plus de créer des aérogels économiques. En attendant, les aérogels peuvent être trouvés dans une gamme de produits:

  • Combinaisons
  • Costumes de pompier
  • Puits de lumière
  • les fenêtres
  • Fusées
  • Des peintures
  • Produits de beauté
  • Armes nucléaires

En raison de la structure unique de l'aérogel, son utilisation en tant qu'isolant est une évidence. Les poches d'air super-isolantes avec la structure de l'aérogel neutralisent presque entièrement les trois méthodes de transfert de chaleur: convection, conduction et rayonnement . Bien que l'aérogel soit encore assez coûteux, la bonne nouvelle est que des études ont montré que l'isolant d'aérogel utilisé dans les encadrements de murs et les zones difficiles à isoler, telles que les solins de fenêtres, peut faire économiser jusqu'à 750 $ par an aux propriétaires. En plus d'aider les propriétaires à économiser de l'argent, l'isolation d'aérogel peut réduire considérablement votre empreinte carbone. . Les entreprises se battent pour trouver le moyen de réduire les coûts, mais pour le moment, les aérogels sont plus abordables pour la NASA que pour le grand public. Néanmoins, les aérogels sont utilisés par les entreprises de construction, les centrales électriques et les raffineries. Peut-être que quand il sera plus abordable, l’aérogel atteindra ce statut.

De la Terre à l’espace, les aérogels ont sans aucun doute une place dans notre avenir. Poursuivez votre lecture pour en savoir plus sur les récents progrès en matière d’aérogels et sur les expériences que vous pouvez aussi effectuer avec les aérogels.

L'avenir des aérogels

Une brique de 5,5 livres est soutenue par un morceau d’aérogel de silice ne pesant que 2 grammes (0,07 once).

Une brique de 5,5 livres est soutenue par un morceau d’aérogel de silice ne pesant que 2 grammes (0,07 once).

Bien que l'aérogel soit coûteux, les chercheurs expérimentent toujours 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 émerveillé le monde scientifique en 2002 en annonçant qu'il avait mis au point une méthode de fabrication d'aérogels non fragiles. Les aérogels de Leventis, connus sous le nom de x-aérogels, ne sont pas seulement plus forts; ils sont également plus flexibles, imperméables et résistants aux chocs. L'inconvénient est que la production de x-aérogel nécessite plus de produits chimiques dangereux et prend plus de temps; ces produits chimiques diminuent également sa capacité d’isolation . En dépit de certains inconvénients, les x-aerogels ont les applications suivantes:

  • Puits de lumière isolants
  • Armure
  • Pneumatiques non dégonflables (ou «à plat»)
  • Membranes pour cellules électrochimiques
  • Composants structurels d'aéronefs
  • Boucliers thermiques pour la réentrée de vaisseau spatial

De plus, les aérogels pourraient aider à promouvoir une technologie plus "verte". L'aérogel de carbone offre un potentiel considérable pour les supercondensateurs et les piles à combustible destinées aux automobiles éconergétiques. En fait, la capacité de stockage d'énergie de l'aérogel de carbone pourrait entraîner un grand nombre 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 qu'il n'est pas nécessaire 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 tous les matériaux nécessaires, y compris un autoclave pour sécher votre aérogel de façon supercritique. (Si vous vous sentez super productif, voici des instructions sur la fabrication de votre propre séchoir supercritique.) Renseignez-vous auprès de votre université ou de votre collège communautaire local; les chances sont, si vous leur dites que vous avez une recette que vous voulez travailler, ils peuvent vous laisser utiliser leur équipement .

Plusieurs sites Web expliquent comment créer des aérogels, notamment aerogel.org et celui-ci de l'Université de Californie. Peu importe où vous faites votre aérogel, les précautions de sécurité sont indispensables. Portez des lunettes de protection, des gants (les meilleurs sont ceux pour la vaisselle), des pantalons longs, des chaussures à bout fermé et un masque de peintre pour vous protéger des vapeurs dangereuses et des matières inflammables.

Les aérogels - y a-t-il quelque chose qu'ils ne peuvent 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 sur des sujets connexes, consultez les liens à la page suivante.


Supplément Vidéo: Super-matériau du futur: l'aérogel !.




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