Aérogel

Une pièce d'aérogel pesant 2 grammes soutient une brique de 2,5 kg.

Un aérogel est un matériau semblable à un gel où le composant liquide est remplacé par du gaz. C'est un solide à très faible densité avec plusieurs propriétés remarquables, notamment sa capacité à isoler thermiquement.

Il a été créé par Steven Kistler en 1931, lors d'un pari avec Charles Learned de la forme : « Qui pourrait remplacer le liquide à l'intérieur d'un bocal de gel, par du gaz, sans qu'il se rétracte ? » Les travaux de Kistler l'ont amené à composer des aérogels de silice, d'alumine, d'oxyde de chrome(III) ou d'oxyde d'étain. Des aérogels composés de carbone ont été inventés au début des années 1990.

Caractéristiques

Une démonstration des capacités isolantes de l'aérogel.

L'aérogel est composé jusqu'à 99,8 % d'air avec une densité pouvant descendre à 3 mg/cm³, ce qui en fait le solide le plus léger connu. Il est presque complètement transparent et au toucher, fait penser à du polystyrène. Le presser légèrement ne laisse aucune marque, le presser plus fortement laisse un creux permanent. En le pressant fort, sa structure éparse s'écroule brutalement, il se brise comme du verre.

Malgré le fait qu'il soit enclin à se disperser, il est capable de supporter plus de 2000 fois son poids. Cette capacité est due à sa microstructure dendritique, avec des particules sphériques d'une taille moyenne de 2 à 5 nm fusionnées en groupe, formant une structure tridimensionnelle hautement poreuse de chaînes (en forme de fractales) avec des pores mesurant moins de 100 nanomètres. La taille et la densité moyenne des pores peuvent être ajustées lors de la fabrication.

L'aérogel est un isolant remarquable, car il stoppe presque complètement trois méthodes de propagation de chaleur (la conduction thermique, la radiation thermique ou la convection). C'est un bon inhibiteur convectif, car l'air ne peut pas circuler à travers le maillage de la structure. L'aérogel en silice est un bon isolateur conductif grâce à la silice qui est un mauvais conducteur de chaleur. D'un autre côté, l'aérogel métallique est un meilleur conducteur de chaleur. L'aérogel en carbone est un bon isolant de radiations, car le carbone absorbe les rayonnements infrarouges qui transfèrent la chaleur. L'aérogel le plus isolant est celui en silice, avec du carbone ajouté. Il est possible d'améliorer encore les capacités isolantes des aérogels en les vidant partiellement de leur air (moins de 0,01 atm).

Le SEAgel est un matériau similaire à de l'aérogel organique, fait d'Agar-agar, avec un goût et une consistance rappelant les gâteaux de riz.

À cause de sa nature hygroscopique, l'aérogel est sec au toucher et il assèche. Comme il est principalement composé d'air, il apparaît semi-transparent. Sa couleur est due à la diffusion Rayleigh de la plus petite longueur d'onde de la lumière visible par la taille en nanomètres de la structure de dendrite. C'est à cause de cela qu'il apparaît bleuté lorsqu'il se situe devant une surface sombre, et blanchâtre devant une surface claire.

Des expériences ont été menées pour fabriquer de l'aérogel en impesanteur (en utilisant le vol parabolique). Il est alors complètement transparent.

Les aérogels sont à la base hydrophiles, mais le traitement chimique de leurs surfaces peut les faire devenir hydrophobes.

Fabrication

Peter Tsou de la NASA tenant un cube d’aérogel

En principe, la fabrication de l’aérogel consiste à remplacer la composante liquide d’un gel de silice (pour l’aérogel de silice) par du gaz. Techniquement, la chose est plus complexe. En effet, la structure du gel a tendance à s’effondrer quand on le sèche simplement. Celui-ci devient alors poreux et il s’effrite.

Dans la pratique, on sèche de l’hydrogel, un gel de silice utilisé notamment pour les lentilles de contact souples, dans des conditions de température et de pression extrêmes en remplaçant l’eau par un liquide comme l’éthanol en présence d’un « précurseur », l’alcoxyde de silice. L’alcoxyde est une sorte de catalyseur, pour la réaction il est composé d’un alcool et de silicone. Sa formule est Si(OR)₄. Cette réaction produit de la silice :

Si(OCH₂CH₃)_{4 (liq.)} + 2H₂O _(liq.) = SiO_{2 (solide)} + 4HOCH₂CH_{3 (liq.)}.

La silice est un composé minéral stable de formule SiO₂. Ensuite intervient un procédé appelé « Supercritical Drying » (séchage à Point critique). En thermodynamique, le point critique est une phase de transition se situant entre les liquides et les gaz. Fondamentalement, les états liquide et vapeur sont microscopiquement identiques : ils se caractérisent par un désordre des atomes ou molécules. Aussi, il existe une pression et une température (dites critiques) pour laquelle cesse brusquement cette courbe de coexistence liquide-vapeur. Au-delà, le corps n'est ni liquide ni gazeux : c'est une phase fluide. C’est par ce procédé qu’on retire l’alcool du gel. Cette opération se fait dans un autoclave à des pressions allant de 50 à 60 bars, des températures de 5 à 10 °C et pendant 12 heures à 6 jours. Le but est alors atteint, on a remplacé le liquide par un gaz sans que la structure du gel s’effondre ou réduise de volume.

Il existe des procédés pour fabriquer de l’aérogel à température et pression ambiante mais ils sont, pour l’instant, gardés secrets par les industriels.

Utilisations

La sonde Stardust a utilisé un collecteur de poussières composé de blocs d'aérogel.

Il y a plusieurs fonctions qui peuvent être réalisées par l'aérogel. Commercialement, des aérogels dans leur forme granulaire sont combinés aux vitres pour diminuer leurs pertes de chaleur. Après plusieurs séjours dans le Vomit Comet, une équipe de recherche^[1] a découvert que la production d'aérogel en impesanteur produit des particules qui ont une taille plus uniforme et qui réduit l'effet de diffusion Rayleigh dans les aérogels en silice, l'aérogel est ainsi plus transparent. Des aérogels transparents en silice pourraient très bien convenir pour diminuer les pertes de chaleur des vitres des immeubles.

Sa grande surface l'amène à être utilisé souvent, tel que dans un absorbeur chimique pour l'adsorption. Cette capacité lui donne également un grand potentiel en tant que catalyseur et transporteur de catalyseurs. Les particules d'aérogel sont également utilisées en tant qu'agent épaississant dans des peintures et des produits cosmétiques.

Ses performances peuvent être augmentées pour des applications spécifiques, en ajoutant des « dopants », renforçant ainsi ses structures et mélangeant ses compositions. En utilisant cette approche, l'étendue de ses applications peut être largement augmentée.

La production de plaques d'aérogel à but commercial commence dans les années 2000. Cette plaque est un matériau composite d'aérogel de silice et renforçant en fibres qui transforment l'aérogel en matériau durable et flexible. Les propriétés mécaniques et thermiques du produit varient suivant le choix des fibres, du moule de l'aérogel, et des additifs opaques inclus.

En janvier 2004, la sonde Stardust utilise de l'aérogel pour capturer des poussières de la comète Wild 2. Ces particules de poussière se vaporisent lors de l'impact contre des solides et traversent les gaz, mais elles sont capturées grâce à de l'aérogel. La NASA a également utilisé de l'aérogel pour protéger de la chaleur les robots explorateurs de Mars ainsi que les combinaisons spatiales portées par les astronautes.

Voir aussi

Articles connexes

• La sonde Stardust, qui a utilisé de l'aérogel pour capturer des particules cosmiques.

Liens externes

• (fr) Nouveauté sur la production de l'Aérogel
• (en) FAQ sur l'aérogel par la NASA.
• (en) Les propriétés thermiques des aérogels de silice par le laboratoire Lawrence Berkeley.

Références

• Portail de la chimie