En 1931, Kistler a séparé le liquide du solide en utilisant une technique de séchage supercritique alcoolique et a empêché la structure du gaz de rétrécir et de s'effondrer, ce qui a donné naissance à l'aérogel.
Définition d'aérogel
L'aérogel est un matériau solide amorphe nanoporeux léger avec des microparticules à l'échelle nanométrique agrégées les unes avec les autres pour former une structure de réseau poreux à l'échelle nanométrique et remplie d'un grand nombre de milieux de dispersion gazeux dans le squelette du réseau.
Les aérogels ne sont pas seulement un matériau fonctionnel, mais aussi un nouvel état de la matière. L'aérogel se distingue fondamentalement des autres états de la matière par de nombreuses propriétés. Il présente une taille et une forme fixes, comme la matière solide, mais sa masse volumique apparente peut varier de 1 g/cm³ à 0.001 g/cm³ (inférieure à la masse volumique de l'air) ; il possède également une structure poreuse spongieuse, aux propriétés multiples : microscopiques (squelette nanométrique), macroscopiques (matière condensée) et mésoscopiques (structure multi-niveaux et fractale), ce qui lui confère de nombreuses propriétés uniques. Il présente une très faible conductivité thermique, un très faible module d'élasticité, un très faible taux de phonons, un très faible indice de réfraction, une faible constante diélectrique, une très faible vitesse du son, une surface spécifique élevée, une très large distribution de la densité et de l'indice de réfraction, etc.
Classification des aérogels
Il existe une large gamme d'aérogels, couvrant la quasi-totalité des systèmes de matériaux. Généralement, selon leur composition chimique, ils peuvent être classés en aérogels organiques, inorganiques et composites. Les aérogels peuvent également être classés en silicium, carbone, soufre, oxydes métalliques et systèmes métalliques selon leurs principaux composants.
Le statut et le rôle des aérogels
Les scientifiques affirment que les aérogels vont changer le monde.
L'aérogel figurait parmi les 10 principaux sujets scientifiques et technologiques du 250e numéro de la revue américaine Science. Le 20 août 2007, le Times rapportait que l'aérogel était le solide le plus léger au monde, capable de résister à la puissance explosive d'un kg de dynamite et de vous protéger de la chaleur d'un chalumeau à plus de 1 1300 °C. Les scientifiques étudient l'utilisation de l'aérogel dans de nombreux domaines, des combinaisons spatiales super-isolantes aux supercondensateurs, en passant par les catalyseurs et la prochaine génération de raquettes de tennis. L'aérogel promet de rivaliser avec des générations de matériaux légendaires tels que la résine phénolique des années 1930, la fibre de carbone des années 1980 et le silicone des années 1990.
L'aérogel a été cité à plusieurs reprises dans le Livre Guinness des records comme le solide le plus léger au monde. Il présente également une conductivité thermique et un indice de réfraction très faibles et est 39 fois plus isolant que les meilleures fibres de verre. Il a été utilisé pour l'isolation thermique de la station spatiale russe Mir et du rover américain Mars Pathfinder, et joue déjà un rôle essentiel dans l'industrie aérospatiale.
Histoire du développement de l'aérogel
En 1931, les aérogels ont été préparés pour la première fois par Kistler à l'Université de Stanford, aux États-Unis.
En 1985, le premier symposium sur les aérogels, connu sous le nom d'ISA, a été organisé par l'Institut de physique de l'Université de Würzburg, en Allemagne.
1993, les aérogels sont utilisés pour isoler les combinaisons spatiales, les vaisseaux spatiaux et les navettes spatiales.
En 2002, Aspen Aerogel, une société de la NASA, a été créée pour développer et produire des aérogels.
2004, recherche sur les aérogels menée par des instituts de recherche chinois.
En 2006, les sociétés nationales d'aérogels en Chine ont commencé à développer des aérogels.
2017, Chine promulguée, GB/T 34336-201, Produits d'isolation composites en aérogel non poreux
En 2021, le Conseil d'État a publié le « Plan d'action pour que le carbone atteigne son pic d'ici 2023 » visant à accélérer la recherche et le développement de la fibre de carbone, de l'aérogel, de l'acier spécial et d'autres matériaux de base.
Les principales propriétés des aérogels
(1) Ultra-léger. L'aérogel est le solide le moins dense au monde, avec une densité minimale d'un sixième de la masse de l'air. La plage de variation de densité est généralement de 0.001 à 1 g/cm³.
(2) Porosité élevée et surface spécifique élevée. La porosité est de 80 % à 99.9 %, la surface spécifique est de 200 à 1000 2 m²/g et la taille typique des pores est de 1 à 100 nm.
(3) Super isolation thermique. La structure nano-réseau mince de l'aérogel limite efficacement la propagation de l'excitation thermique locale, et sa conductivité thermique à l'état solide est de 2 à 3 ordres de grandeur inférieure à celle du matériau vitreux correspondant.
Le principe de l'isolation thermique par aérogel
Transfert thermique réduit:Le nombre infini de nanoparticules dans l'aérogel forme un squelette maillé, et la chaleur ne peut circuler que le long d'un nombre infini de nanoparticules. Le flux thermique ne peut être conduit que le long d'un nombre infini de nanoparticules, ce qui entraîne un trajet de transfert de chaleur quasi infini dans le solide. Le transfert de chaleur dans le solide est réduit au niveau le plus bas possible.
Inhibition de la convection thermique : La taille moyenne des pores des aérogels est de 20 à 40 nm, ce qui est inférieur à la portée libre moyenne des molécules de gaz de 69 nm, et les molécules de gaz dans les pores perdent leur capacité à se déplacer librement, rendant la convection presque impossible.
Réduction du rayonnement thermique : Les parois des pores formées par les nanoparticules dans les aérogels constituent des écrans infrarouges, et le nombre infini d'écrans réduit considérablement le rayonnement thermique.
(4) Catalyse. La petite taille des particules, la surface spécifique élevée et la faible densité de l'aérogel confèrent à ce catalyseur une activité et une sélectivité bien supérieures à celles des catalyseurs conventionnels. Les composants actifs peuvent être dispersés très uniformément dans le support. De plus, il présente une excellente stabilité thermique, ce qui permet de réduire efficacement l'apparition de réactions secondaires.
(5) Isolation acoustique. La faible vitesse du son des aérogels en fait un matériau idéal pour le retard acoustique ou l'isolation acoustique à haute température. La plage d'impédance acoustique variable de l'aérogel est large [103 ~ 107 kg/(㎡-s)], ce qui en fait un matériau de couplage de résistance acoustique idéal pour les détecteurs à ultrasons. La résistance acoustique des céramiques piézoélectriques utilisées pour les générateurs et détecteurs à ultrasons est de 1.5 × 107 kg/(㎡-s), tandis que celle de l'air n'est que de 400 kg/(㎡-s). L'utilisation d'un aérogel de silicium d'une épaisseur d'un quart de longueur d'onde et d'une densité d'environ 1 g/cm³ comme matériau de couplage de résistance acoustique entre les céramiques piézoélectriques et l'air permet d'augmenter l'intensité sonore de 4 dB, d'améliorer l'efficacité de transmission des ondes acoustiques et de réduire le rapport signal/bruit dans les applications de dispositifs.
(6) Performances de filtration. Les aérogels nanostructurés peuvent également constituer un nouveau type de matériau de filtration de gaz hautement efficace. En raison de leur surface spécifique exceptionnellement grande, les aérogels sont qualifiés de « super éponges » par les scientifiques et sont idéaux pour adsorber les polluants dans l'eau et en extraire le plomb et le mercure, ce qui en fait un excellent matériau pour faire face aux catastrophes écologiques.
(7) Propriétés optiques. L'aérogel de SiO₂ pur est transparent et incolore, et son indice de réfraction (1.006~1.06) est très proche de celui de l'air. Il ne présente donc quasiment aucune perte par réflexion de la lumière incidente et peut transmettre efficacement la lumière solaire. Il peut donc être utilisé pour la fabrication de verre isolant et insonorisant.
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