Il a été inventé par un groupe de scientifiques dirigé par le professeur chinois Gao Chao de l’Université du Zhejiang et a fait sensation dans le monde scientifique. Le graphène, un matériau incroyablement léger en soi, est largement utilisé dans la nanotechnologie moderne. Et les scientifiques ont réussi à en obtenir un matériau poreux, le plus léger au monde.
L'aérogel de graphène a été fabriqué de la même manière que les autres aérogels : par séchage par sublimation. Une éponge poreuse en carbone-graphène copie presque entièrement n'importe quelle forme, ce qui signifie que la quantité d'aérogel ne dépend que du volume du récipient.
En termes de propriétés chimiques, l'aérogel a une densité inférieure à celle de l'hydrogène et de l'hélium. Les scientifiques ont confirmé sa haute résistance et sa grande élasticité. Et ce malgré le fait que l'aérogel de graphène absorbe et retient des volumes de substances organiques près de 900 fois sa masse ! 1 gramme d'aérogel peut littéralement absorber 68,8 grammes de toute substance insoluble dans l'eau en une seconde. C'est incroyable et peut-être que très bientôt tous les bars de poeli.ru et tous les hôtels utiliseront ce matériel à certaines fins pour attirer les visiteurs.
Une autre propriété du nouveau matériau était d'un grand intérêt pour la communauté environnementale : la capacité de l'éponge de graphène à absorber les substances organiques, ce qui contribuera à éliminer les conséquences des accidents d'origine humaine.
La propriété potentielle du graphène en tant que catalyseur de réactions chimiques est destinée à être utilisée dans les systèmes de stockage et dans la fabrication de matériaux composites complexes.
Depuis 2011, les scientifiques ont développé plusieurs matériaux innovants, qui ont à leur tour porté le titre de « matériau le plus léger de la planète ». D’abord un aérogel à base de nanotubes de carbone (4 mg/cm3), puis un matériau à structure micro-réseau (0,9 mg/cm3), puis de l’aérographite (0,18 mg/cm3). Mais aujourd’hui, le matériau le plus léger est l’aérogel de graphène, dont la densité est de 0,16 mg/cm3.
Cette découverte, appartenant à un groupe de scientifiques de l'Université du Zhejiang (Chine) sous la direction du professeur Gao Chao, a fait sensation dans la science moderne. Le graphène lui-même est un matériau exceptionnellement léger largement utilisé dans la nanotechnologie moderne. Tout d’abord, les scientifiques l’ont utilisé pour créer des fibres de graphène unidimensionnelles, puis des rubans de graphène bidimensionnels. Aujourd’hui, une troisième dimension a été ajoutée au graphène, ce qui a donné naissance à un matériau poreux qui est devenu le matériau le plus léger au monde.
La méthode de production de matériau poreux à partir de graphène est appelée lyophilisation. D'autres aérogels sont préparés de la même manière. L'éponge poreuse de carbone-graphène est capable de répéter presque complètement n'importe quelle forme qui lui est donnée. En d’autres termes, la quantité d’aérogel de graphène produite dépend uniquement du volume du conteneur.
Les scientifiques déclarent avec audace des qualités telles qu'une résistance et une élasticité élevées. Dans le même temps, l'aérogel Garfen est capable d'absorber et de retenir des volumes de substances organiques jusqu'à 900 fois son propre poids ! Ainsi, en une seconde, 1 gramme d'aérogel peut absorber 68,8 grammes de toute substance qui ne se dissout pas dans l'eau.
Cette propriété du matériau innovant a immédiatement intéressé les écologistes. Après tout, vous pouvez ainsi éliminer rapidement les conséquences d'accidents d'origine humaine, par exemple en utilisant un aérogel sur les sites de marée noire.
En plus des avantages environnementaux, l'aérogel de graphène présente un énorme potentiel énergétique. Il est notamment prévu de l'utiliser dans les systèmes de stockage. Dans ce cas, l’aérogel peut être un catalyseur de certaines réactions chimiques. De plus, l’aérogel de graphène commence déjà à être utilisé dans des matériaux composites complexes.
La combinaison du graphène et des nanotubes de carbone a permis d'obtenir un aérogel de carbone sans les inconvénients des aérogels constitués uniquement de graphène ou uniquement de nanotubes. Le nouveau matériau composite de carbone, en plus des propriétés habituelles de tous les aérogels - densité, dureté et conductivité thermique extrêmement faibles - possède également une élasticité élevée (la capacité de retrouver sa forme après des compressions et des étirements répétés) et une excellente capacité à absorber les liquides organiques. . Cette dernière propriété peut avoir des applications dans la lutte contre les déversements d'hydrocarbures.
Imaginons que nous chauffions un récipient fermé avec du liquide et de la vapeur de ce liquide. Plus la température est élevée, plus le liquide s'évaporera, se transformant en phase gazeuse, et plus la pression sera élevée, et avec elle la densité de la phase gazeuse (en fait, le nombre de molécules évaporées). À une certaine pression et température, dont la valeur dépend du type de substance présente dans le récipient, la densité des molécules dans le liquide sera la même que dans la phase gazeuse. Cet état du liquide est appelé supercritique. Dans cet état, il n’y a pas de différence entre les phases liquide et gazeuse, et donc il n’y a pas de tension superficielle.
Des aérogels encore plus légers (moins denses) sont obtenus par dépôt chimique d'une substance qui fera office de phase solide de l'aérogel sur un substrat poreux préalablement préparé, qui est ensuite dissous. Cette méthode permet de réguler la densité de la phase solide (en régulant la quantité de substance déposée) et sa structure (en utilisant un substrat ayant la structure requise).
De par leur structure, les aérogels possèdent un ensemble de propriétés uniques. Bien que leur résistance se rapproche de celle des solides (Fig. 1A), leur densité est similaire à celle des gaz. Ainsi, les meilleurs échantillons d'aérogel de quartz ont une densité d'environ 2 mg/cm 3 (la densité de l'air entrant dans leur composition est de 1,2 mg/cm 3), soit mille fois inférieure à celle des matériaux solides non poreux. .
Les aérogels ont également une conductivité thermique extrêmement faible (Fig. 1B), puisque la chaleur doit parcourir un chemin complexe à travers un réseau ramifié de très fines chaînes de nanoparticules. Dans le même temps, le transfert de chaleur à travers la phase aérienne est également difficile du fait que ces mêmes chaînes rendent impossible la convection, sans laquelle la conductivité thermique de l'air est très faible.
Une autre propriété de l'aérogel - son extraordinaire porosité - a permis d'acheminer sur Terre des échantillons de poussières interplanétaires (voir Stardust collector rentre chez lui, "Elements", 14/01/2006) à l'aide du vaisseau spatial Stardust. Son dispositif de collecte était un bloc d'aérogel, dans lequel tombaient des particules de poussière arrêtées avec une accélération de plusieurs milliards. g, sans s'effondrer (Fig. 1C).
Jusqu'à récemment, le principal inconvénient de l'aérogel était sa fragilité : il se fissurait sous des charges répétées. Tous les aérogels obtenus à cette époque - à partir de quartz, de certains oxydes métalliques et de carbone - présentaient cet inconvénient. Mais avec l'avènement de nouveaux matériaux carbonés - graphène et nanotubes de carbone - le problème de l'obtention d'aérogels élastiques et résistants à la rupture a été résolu.
Le graphène est une feuille d'un atome d'épaisseur dans laquelle les atomes de carbone forment un réseau hexagonal (chaque cellule du réseau est un hexagone), et un nanotube de carbone est la même feuille enroulée en cylindre d'une épaisseur de un à plusieurs dizaines de nanomètres. Ces formes de carbone ont une grande résistance mécanique, une grande élasticité, une surface interne très élevée, ainsi qu'une conductivité thermique et électrique élevée.
Cependant, les matériaux préparés séparément du graphène ou séparément des nanotubes de carbone présentent également des inconvénients. Ainsi, un aérogel de graphène d'une densité de 5,1 mg/cm 3 ne s'est pas effondré sous une charge dépassant de 50 000 fois son propre poids, et a retrouvé sa forme après avoir été comprimé à 80 % de sa taille d'origine. Cependant, du fait que les feuilles de graphène ont une rigidité à la flexion insuffisante, une diminution de leur densité aggrave les propriétés élastiques de l'aérogel de graphène.
L'aérogel fabriqué à partir de nanotubes de carbone présente un autre inconvénient : il est plus rigide, mais ne reprend pas du tout sa forme après avoir retiré la charge, car les nanotubes sous charge sont pliés et emmêlés de manière irréversible, et la charge est mal transférée entre eux.
Rappelons que la déformation est un changement de position des particules d'un corps physique les unes par rapport aux autres, et la déformation élastique est une déformation qui disparaît avec la disparition de la force qui l'a provoquée. Le «degré» d'élasticité d'un corps (appelé module d'élasticité) est déterminé par la dépendance de la contrainte mécanique qui apparaît à l'intérieur de l'échantillon lorsqu'une force de déformation est appliquée sur la déformation élastique de l'échantillon. Dans ce cas, la contrainte est la force appliquée à l'échantillon par unité de surface. (A ne pas confondre avec la tension électrique !)
Comme l'a démontré un groupe de scientifiques chinois, ces inconvénients sont entièrement compensés si le graphène et les nanotubes sont utilisés simultanément dans la préparation de l'aérogel. Les auteurs de l'article discuté dans Matériaux avancés utilisé une solution aqueuse de nanotubes et d'oxyde de graphène, dont l'eau a été éliminée par congélation et sublimation de glace - lyophilisation (voir aussi Lyophilisation), qui élimine également les effets de la tension superficielle, après quoi l'oxyde de graphène a été chimiquement réduit en graphène . Dans la structure résultante, les feuilles de graphène servaient de cadre et les nanotubes servaient de raidisseurs sur ces feuilles (Fig. 2A, 2B). Comme le montrent les études au microscope électronique, les feuilles de graphène se chevauchent et forment un cadre tridimensionnel avec des pores dont la taille varie de dizaines de nanomètres à des dizaines de micromètres, et les nanotubes de carbone forment un réseau enchevêtré et adhèrent étroitement aux feuilles de graphène. Ceci est apparemment dû au fait que les nanotubes sont expulsés par la croissance des cristaux de glace lorsque la solution initiale gèle.
La densité de l'échantillon était de 1 mg/cm3 hors air (Fig. 2C, 2D). Et selon les calculs du modèle structurel présenté par les auteurs, la densité minimale à laquelle l'aérogel issu des substances de départ utilisées conservera encore l'intégrité de la structure est de 0,13 mg/cm 3, soit près de 10 fois inférieure à la densité de air! Les auteurs ont pu préparer un aérogel composite d'une densité de 0,45 mg/cm 3 et un aérogel composé uniquement de graphène d'une densité de 0,16 mg/cm 3 , ce qui est inférieur au précédent record détenu par un aérogel de ZnO déposé sur un substrat. de la phase gazeuse. Il est possible de réduire la densité en utilisant des feuilles de graphène plus larges, mais cela réduit la rigidité et la résistance du matériau obtenu.
Lors des tests, des échantillons d'un tel aérogel composite ont conservé leur forme et leur microstructure après 1 000 compressions répétées jusqu'à 50 % de leur taille d'origine. La résistance à la compression est approximativement proportionnelle à la densité de l’aérogel et dans tous les échantillons augmente progressivement avec l’augmentation de la contrainte (figure 3A). Dans la plage de –190°C à 300°C, les propriétés élastiques des aérogels résultants sont presque indépendantes de la température.
L'essai de traction (Figure 3B) a été réalisé sur un échantillon d'une densité de 1 mg/cm3, et l'échantillon a résisté à un étirement de 16,5 %, ce qui est totalement impensable pour les aérogels d'oxydes, qui se fissurent immédiatement lorsqu'ils sont étirés. De plus, la rigidité lors de la traction est plus élevée que lors de la compression, c'est-à-dire que l'échantillon est facilement écrasé, mais difficilement étiré.
Les auteurs ont expliqué cet ensemble de propriétés par l'interaction synergique du graphène et des nanotubes, dans laquelle les propriétés des composants se complètent. Les nanotubes de carbone recouvrant les feuilles de graphène servent de liaison entre les feuilles adjacentes, ce qui améliore le transfert de charge entre elles, ainsi que de raidisseurs pour les feuilles elles-mêmes. De ce fait, la charge ne conduit pas au mouvement des feuilles les unes par rapport aux autres (comme dans un aérogel constitué de graphène pur), mais à une déformation élastique des feuilles elles-mêmes. Et comme les nanotubes adhèrent étroitement aux feuilles et que leur position est déterminée par la position des feuilles, ils ne subissent pas de déformation ni d'enchevêtrement irréversibles et ne se déplacent pas les uns par rapport aux autres sous charge, comme dans un aérogel inélastique composé uniquement de nanotubes. Un aérogel composé à parts égales de graphène et de nanotubes a des propriétés optimales, et avec une augmentation de la teneur en nanotubes, ils commencent à former des « enchevêtrements », comme dans un aérogel composé uniquement de nanotubes, ce qui entraîne une perte d'élasticité.
En plus des propriétés élastiques décrites, l'aérogel de carbone composite possède également d'autres propriétés inhabituelles. Il est électriquement conducteur et la conductivité électrique change de manière réversible lors d'une déformation élastique. De plus, l'aérogel de graphène et de nanotubes de carbone repousse l'eau, mais absorbe en même temps parfaitement les liquides organiques - 1,1 g de toluène dans l'eau a été complètement absorbé par un morceau d'aérogel pesant 3,2 mg en 5 secondes (Fig. 4). Cela ouvre d'excellentes opportunités pour éliminer les déversements d'hydrocarbures et purifier l'eau des liquides organiques : seulement 3,5 kg d'un tel aérogel peuvent absorber une tonne d'hydrocarbures, soit 10 fois plus que la capacité d'un absorbant utilisé dans le commerce. En même temps, l'absorbant à base d'aérogel composite est régénérable : grâce à son élasticité et sa résistance thermique, le liquide absorbé peut être expulsé comme une éponge, et le reste est simplement brûlé ou éliminé par évaporation. Des tests ont montré que les propriétés sont conservées après 10 cycles de ce type.
La variété des formes de carbone et les propriétés uniques de ces formes et des matériaux obtenus continuent d'étonner les chercheurs, nous pouvons donc nous attendre à de plus en plus de découvertes dans ce domaine à l'avenir. Combien de choses peuvent être fabriquées à partir d’un seul élément chimique !
La combinaison du graphène et des nanotubes de carbone a permis d'obtenir un aérogel de carbone sans les inconvénients des aérogels constitués uniquement de graphène ou uniquement de nanotubes. Le nouveau matériau composite de carbone, en plus des propriétés habituelles de tous les aérogels - densité, dureté et conductivité thermique extrêmement faibles - possède également une élasticité élevée (la capacité de retrouver sa forme après des compressions et des étirements répétés) et une excellente capacité à absorber les liquides organiques. . Cette dernière propriété peut avoir des applications dans la lutte contre les déversements d'hydrocarbures.
Imaginons que nous chauffions un récipient fermé avec du liquide et de la vapeur de ce liquide. Plus la température est élevée, plus le liquide s'évaporera, se transformant en phase gazeuse, et plus la pression sera élevée, et avec elle la densité de la phase gazeuse (en fait, le nombre de molécules évaporées). À une certaine pression et température, dont la valeur dépend du type de substance présente dans le récipient, la densité des molécules dans le liquide sera la même que dans la phase gazeuse. Cet état du liquide est appelé supercritique. Dans cet état, il n’y a pas de différence entre les phases liquide et gazeuse, et donc il n’y a pas de tension superficielle.
Des aérogels encore plus légers (moins denses) sont obtenus par dépôt chimique d'une substance qui fera office de phase solide de l'aérogel sur un substrat poreux préalablement préparé, qui est ensuite dissous. Cette méthode permet de réguler la densité de la phase solide (en régulant la quantité de substance déposée) et sa structure (en utilisant un substrat ayant la structure requise).
De par leur structure, les aérogels possèdent un ensemble de propriétés uniques. Bien que leur résistance se rapproche de celle des solides (Fig. 1A), leur densité est similaire à celle des gaz. Ainsi, les meilleurs échantillons d'aérogel de quartz ont une densité d'environ 2 mg/cm 3 (la densité de l'air entrant dans leur composition est de 1,2 mg/cm 3), soit mille fois inférieure à celle des matériaux solides non poreux. .
Les aérogels ont également une conductivité thermique extrêmement faible (Fig. 1B), puisque la chaleur doit parcourir un chemin complexe à travers un réseau ramifié de très fines chaînes de nanoparticules. Dans le même temps, le transfert de chaleur à travers la phase aérienne est également difficile du fait que ces mêmes chaînes rendent impossible la convection, sans laquelle la conductivité thermique de l'air est très faible.
Une autre propriété de l'aérogel - son extraordinaire porosité - a permis d'acheminer sur Terre des échantillons de poussières interplanétaires (voir Stardust collector rentre chez lui, "Elements", 14/01/2006) à l'aide du vaisseau spatial Stardust. Son dispositif de collecte était un bloc d'aérogel, dans lequel tombaient des particules de poussière arrêtées avec une accélération de plusieurs milliards. g, sans s'effondrer (Fig. 1C).
Jusqu'à récemment, le principal inconvénient de l'aérogel était sa fragilité : il se fissurait sous des charges répétées. Tous les aérogels obtenus à cette époque - à partir de quartz, de certains oxydes métalliques et de carbone - présentaient cet inconvénient. Mais avec l'avènement de nouveaux matériaux carbonés - graphène et nanotubes de carbone - le problème de l'obtention d'aérogels élastiques et résistants à la rupture a été résolu.
Le graphène est une feuille d'un atome d'épaisseur dans laquelle les atomes de carbone forment un réseau hexagonal (chaque cellule du réseau est un hexagone), et un nanotube de carbone est la même feuille enroulée en cylindre d'une épaisseur de un à plusieurs dizaines de nanomètres. Ces formes de carbone ont une grande résistance mécanique, une grande élasticité, une surface interne très élevée, ainsi qu'une conductivité thermique et électrique élevée.
Cependant, les matériaux préparés séparément du graphène ou séparément des nanotubes de carbone présentent également des inconvénients. Ainsi, un aérogel de graphène d'une densité de 5,1 mg/cm 3 ne s'est pas effondré sous une charge dépassant de 50 000 fois son propre poids, et a retrouvé sa forme après avoir été comprimé à 80 % de sa taille d'origine. Cependant, du fait que les feuilles de graphène ont une rigidité à la flexion insuffisante, une diminution de leur densité aggrave les propriétés élastiques de l'aérogel de graphène.
L'aérogel fabriqué à partir de nanotubes de carbone présente un autre inconvénient : il est plus rigide, mais ne reprend pas du tout sa forme après avoir retiré la charge, car les nanotubes sous charge sont pliés et emmêlés de manière irréversible, et la charge est mal transférée entre eux.
Rappelons que la déformation est un changement de position des particules d'un corps physique les unes par rapport aux autres, et la déformation élastique est une déformation qui disparaît avec la disparition de la force qui l'a provoquée. Le «degré» d'élasticité d'un corps (appelé module d'élasticité) est déterminé par la dépendance de la contrainte mécanique qui apparaît à l'intérieur de l'échantillon lorsqu'une force de déformation est appliquée sur la déformation élastique de l'échantillon. Dans ce cas, la contrainte est la force appliquée à l'échantillon par unité de surface. (A ne pas confondre avec la tension électrique !)
Comme l'a démontré un groupe de scientifiques chinois, ces inconvénients sont entièrement compensés si le graphène et les nanotubes sont utilisés simultanément dans la préparation de l'aérogel. Les auteurs de l'article discuté dans Matériaux avancés utilisé une solution aqueuse de nanotubes et d'oxyde de graphène, dont l'eau a été éliminée par congélation et sublimation de glace - lyophilisation (voir aussi Lyophilisation), qui élimine également les effets de la tension superficielle, après quoi l'oxyde de graphène a été chimiquement réduit en graphène . Dans la structure résultante, les feuilles de graphène servaient de cadre et les nanotubes servaient de raidisseurs sur ces feuilles (Fig. 2A, 2B). Comme le montrent les études au microscope électronique, les feuilles de graphène se chevauchent et forment un cadre tridimensionnel avec des pores dont la taille varie de dizaines de nanomètres à des dizaines de micromètres, et les nanotubes de carbone forment un réseau enchevêtré et adhèrent étroitement aux feuilles de graphène. Ceci est apparemment dû au fait que les nanotubes sont expulsés par la croissance des cristaux de glace lorsque la solution initiale gèle.
La densité de l'échantillon était de 1 mg/cm3 hors air (Fig. 2C, 2D). Et selon les calculs du modèle structurel présenté par les auteurs, la densité minimale à laquelle l'aérogel issu des substances de départ utilisées conservera encore l'intégrité de la structure est de 0,13 mg/cm 3, soit près de 10 fois inférieure à la densité de air! Les auteurs ont pu préparer un aérogel composite d'une densité de 0,45 mg/cm 3 et un aérogel composé uniquement de graphène d'une densité de 0,16 mg/cm 3 , ce qui est inférieur au précédent record détenu par un aérogel de ZnO déposé sur un substrat. de la phase gazeuse. Il est possible de réduire la densité en utilisant des feuilles de graphène plus larges, mais cela réduit la rigidité et la résistance du matériau obtenu.
Lors des tests, des échantillons d'un tel aérogel composite ont conservé leur forme et leur microstructure après 1 000 compressions répétées jusqu'à 50 % de leur taille d'origine. La résistance à la compression est approximativement proportionnelle à la densité de l’aérogel et dans tous les échantillons augmente progressivement avec l’augmentation de la contrainte (figure 3A). Dans la plage de –190°C à 300°C, les propriétés élastiques des aérogels résultants sont presque indépendantes de la température.
L'essai de traction (Figure 3B) a été réalisé sur un échantillon d'une densité de 1 mg/cm3, et l'échantillon a résisté à un étirement de 16,5 %, ce qui est totalement impensable pour les aérogels d'oxydes, qui se fissurent immédiatement lorsqu'ils sont étirés. De plus, la rigidité lors de la traction est plus élevée que lors de la compression, c'est-à-dire que l'échantillon est facilement écrasé, mais difficilement étiré.
Les auteurs ont expliqué cet ensemble de propriétés par l'interaction synergique du graphène et des nanotubes, dans laquelle les propriétés des composants se complètent. Les nanotubes de carbone recouvrant les feuilles de graphène servent de liaison entre les feuilles adjacentes, ce qui améliore le transfert de charge entre elles, ainsi que de raidisseurs pour les feuilles elles-mêmes. De ce fait, la charge ne conduit pas au mouvement des feuilles les unes par rapport aux autres (comme dans un aérogel constitué de graphène pur), mais à une déformation élastique des feuilles elles-mêmes. Et comme les nanotubes adhèrent étroitement aux feuilles et que leur position est déterminée par la position des feuilles, ils ne subissent pas de déformation ni d'enchevêtrement irréversibles et ne se déplacent pas les uns par rapport aux autres sous charge, comme dans un aérogel inélastique composé uniquement de nanotubes. Un aérogel composé à parts égales de graphène et de nanotubes a des propriétés optimales, et avec une augmentation de la teneur en nanotubes, ils commencent à former des « enchevêtrements », comme dans un aérogel composé uniquement de nanotubes, ce qui entraîne une perte d'élasticité.
En plus des propriétés élastiques décrites, l'aérogel de carbone composite possède également d'autres propriétés inhabituelles. Il est électriquement conducteur et la conductivité électrique change de manière réversible lors d'une déformation élastique. De plus, l'aérogel composé de graphène et de nanotubes de carbone repousse l'eau, mais absorbe en même temps parfaitement les liquides organiques - 1,1 g de toluène dans l'eau a été complètement absorbé par un morceau d'aérogel pesant 3,2 mg en 5 secondes (Fig. 4). Cela ouvre d'excellentes opportunités pour éliminer les déversements d'hydrocarbures et purifier l'eau des liquides organiques : seulement 3,5 kg d'un tel aérogel peuvent absorber une tonne d'hydrocarbures, soit 10 fois plus que la capacité d'un absorbant utilisé dans le commerce. En même temps, l'absorbant à base d'aérogel composite est régénérable : grâce à son élasticité et sa résistance thermique, le liquide absorbé peut être expulsé comme une éponge, et le reste est simplement brûlé ou éliminé par évaporation. Des tests ont montré que les propriétés sont conservées après 10 cycles de ce type.
La variété des formes de carbone et les propriétés uniques de ces formes et des matériaux obtenus continuent d'étonner les chercheurs, nous pouvons donc nous attendre à de plus en plus de découvertes dans ce domaine à l'avenir. Combien de choses peuvent être fabriquées à partir d’un seul élément chimique !
Aérogels (de lat. avion- l'air et gelatus- congelé) - une classe de matériaux qui sont un gel dans lequel la phase liquide est complètement remplacée par une phase gazeuse, ce qui fait que la substance a une densité record, seulement une fois et demie la densité de l'air, et un certain nombre d'autres qualités uniques : dureté, transparence, résistance à la chaleur, conductivité thermique extrêmement faible et absence d'absorption d'eau.
Vue générale de l'aérogel
L'aérogel est également unique dans la mesure où il est composé à 99,8 %... d'air !
Les aérogels à base de dioxyde de silicium amorphe, d'alumine et d'oxydes de chrome et d'étain sont courants. Au début des années 1990, les premiers échantillons d’aérogel à base de carbone ont été obtenus.
L'Aérogel est une création très inhabituelle de mains humaines, un matériau récompensé de 15 positions dans le Livre Guinness des Records pour ses qualités uniques.
Les aérogels appartiennent à la classe des matériaux mésoporeux, dans lesquels les cavités occupent au moins 50 % du volume. La structure des aérogels est un réseau arborescent de nanoparticules regroupées de 2 à 5 nm et de pores allant jusqu'à 100 nm.
Au toucher, les aérogels ressemblent à une mousse légère mais dure, un peu comme la mousse de polystyrène. Sous une charge importante, l'aérogel se fissure, mais en général, il s'agit d'un matériau très durable : un échantillon d'aérogel peut supporter une charge équivalant à 2 000 fois son propre poids. Les aérogels, notamment ceux à quartz, sont de bons isolants thermiques.
Les aérogels de quartz sont les plus courants, ils détiennent également le record actuel de la plus faible densité de solides - 1,9 kg/m³, soit 500 fois inférieure à la densité de l'eau et seulement 1,5 fois celle de l'air.
Les aérogels de quartz sont également populaires en raison de leur conductivité thermique extrêmement faible (~0,017 W/(m.K) dans l'air à pression atmosphérique normale), inférieure à la conductivité thermique de l'air (0,024 W/(m.K)).
Application de l'aérogel
Les aérogels sont utilisés dans la construction et l'industrie comme matériaux d'isolation thermique et de rétention de chaleur pour l'isolation thermique de canalisations en acier, de divers équipements soumis à des processus à haute et basse température, de bâtiments et d'autres objets. Il peut résister à des températures allant jusqu'à 650°C, et une couche de 2,5 cm d'épaisseur suffit à protéger la main humaine d'une exposition directe au chalumeau.
Le point de fusion du quartz Aerogel est de 1200°C.
Production d'aérogel
Le processus de production d’aérogels est complexe et demande beaucoup de main d’œuvre. Tout d’abord, le gel polymérise à l’aide de réactions chimiques. Cette opération prend plusieurs jours et le résultat est un produit gélatineux. Ensuite, l'eau est retirée de la gelée avec de l'alcool. Sa suppression complète est la clé du succès de l’ensemble du processus. L’étape suivante est le séchage « supercritique ». Il est produit dans un autoclave à haute pression et température, en utilisant du dioxyde de carbone liquéfié.
Le pionnier de l'invention de l'aérogel est attribué au chimiste Steven Kistler du College of the Pacific de Stockton, en Californie, aux États-Unis, qui a publié ses résultats en 1931 dans la revue Nature.
Kistler a remplacé le liquide dans le gel par du méthanol, puis a chauffé le gel sous pression jusqu'à ce que la température critique du méthanol (240°C) soit atteinte. Le méthanol a quitté le gel sans diminuer de volume ; En conséquence, le gel a « séché », presque sans rétrécir.
