Leggero e superisolante, l’aerogel tra i materiali del futuro

Tra i vari materiali che in futuro potrebbero rivelarsi fondamentali vi è senz’altro l’aerogel: una struttura capace di sorreggere il gel, leggerissima e superisolante termico. È così chiamato proprio perché formato da una fase solida ed un gas (il nome deriva dalla enorme similitudine tra tale materiale e la gelatina, in cui tuttavia il gel è sostituito dal gas).

Dalla gelatina all’aerogel: scommettere per scoprire!

Non poco curiosa è l’origine del suddetto materiale che, sebbene sia proiettato verso il futuro per possibili applicazioni anche nella comune quotidianità, radica le proprie origini nei primi decenni del ‘900, quando il chimico statunitense Samuel Stephen Kistler propose ad un collega di rimuovere la sostanza gelatinosa all’interno della gelatina senza far collassare la struttura solida.

In effetti le sue intuizioni furono esatte: la struttura della gelatina non è altro che una fitta rete di collagene all’interno della quale resta intrappolata la sostanza liquida. Infatti, l’acqua è vincolata in questo intreccio tridimensionale e, se la temperatura supera i 30°C il collagene si dissolve nell’acqua, mentre se è inferiore ai 18°C la gelatina si rapprende.

Dunque, le teorie di Kistler riguardanti la presenza di uno “scheletro” capace di sorreggere il tutto erano più che fondate, tuttavia se egli cercava di eliminare l’acqua semplicemente riscaldando la sostanza tutta la struttura collassava; lo studioso tentò quindi di evitare la soluzione dell’evaporazione, optando per il raggiungimento del punto critico dell’acqua: a determinati valori di pressione e temperatura in quest’ultima coesistono fase liquida e fase gassosa. Il superamento dello stesso (condizione supercritica) comporta la non distinguibilità tra liquido e gas.

Tenendo conto che il punto critico dell’acqua si trova a 374°C e 218 atmosfere di pressione, Kistler giocò sulla variazione dei parametri, prima scaldando e comprimendo il fluido fino a superarne il punto critico per poi decomprimerlo e raffreddarlo, ottenendo così una lenta espulsione della fase liquida in modo continuo, evitando il violento passaggio di fase con conseguente collasso della struttura.

L’aerogel e le sue proprietà

Capito il gioco, il chimico statunitense cominciò ad individuare delle sostanze che potessero agevolare la realizzazione dell’aerogel, sostituendo ad esempio l’acqua con l’etanolo (punto critico a 241°C e 62 atmosfere), ottenendo il primo aerogel: un fitto scheletro tridimensionale estremamente poroso e quindi molto leggero. Kistler perfezionò ulteriormente la realizzazione di tale materiale individuando strutture solide che potessero conferire migliori proprietà, quali la silice, l’allumina e la cellulosa. L’aerogel di silice è ad esempio molto performante in termini di leggerezza, infatti il suo volume è costituito da aria per il 99,8%!!

Negli anni ’80 ebbero modo di giovare della suddetta scoperta il CERN e la NASA. Il primo, il più grande laboratorio di ricerca nella fisica delle particelle, cominciò ad utilizzarlo come rivelatore di particelle, sfruttando il fatto che queste fossero in grado di attraversarlo decelerando gradualmente e lasciando una traccia analizzabile. L’agenzia aerospaziale statunitense invece ha optato per l’utilizzo di aerogel come raccoglitore di materiale extraterrestre tramite la sonda Stardust: nel 2011 la sonda spaziale, nella fase di attraversamento di una cometa, è stata in grado di ottenere polvere stellare intrappolata in campioni di aerogel. Se infatti si utilizzassero materiali solidi questi colliderebbero violentemente con le particelle stesse, facendole evaporare; al contrario, materiali gassosi le lascerebbero proseguire indisturbate senza opporre alcuna resistenza. La soluzione di bassa densità dell’aerogel permette invece la cattura di tali particelle senza danneggiarle.

L’aerogel come isolante termico

La proprietà di maggior interesse dell’aerogel, e in particolar modo quello di silice, è la capacità di isolamento termico.

Tale proprietà deriva dal fatto che, se l’aria (o un qualsiasi altro gas) è a riposo, il calore si trasmette soltanto per conduzione termica, ossia attraverso la trasmissione di calore da zone a temperatura maggiore a zone a temperatura minore. Immaginando infatti un contenitore all’interno del quale è intrappolato del gas, e supponendo che le due pareti del contenitore si trovino a temperature diverse, le molecole del gas si muovono per via dell’agitazione termica in particolare in prossimità della parete più calda, e il loro movimento del tutto caotico e casuale fa sì che si verifichino degli urti, altrettanto casuali, tali da trasferire il calore da una singola particella all’altra. Il tutto dipende dal libero cammino medio, ossia dalla distanza che mediamente intercorre tra un urto e l’altro, e, maggiore è la densità del gas, più piccolo sarà questo parametro.

Avvicinando sempre più le due pareti del contenitore fino a raggiungere tra le stesse una distanza inferiore al libero cammino medio, le molecole non hanno più modo di incontrarsi, ma restano intrappolate in questo “canale” potendo avere contatto soltanto con le pareti dello stesso: è stata eliminata la conduzione di calore tra le particelle del gas. Considerando che l’aria a pressione e temperatura ambiente prevede un libero cammino medio tra le molecole di circa 70 nm, se in un aerogel di silice si generano delle porosità entro le quali intrappolare l’aria, è ragionevole pensare che basta che la struttura di queste ultime sia inferiore alla distanza media tra gli urti: infatti i pori di un materiale di questo tipo sono in genere di dimensioni che variano tra i 2 e i 50 nm. Dunque, il calore è trasmesso soltanto per conduzione attraverso lo “scheletro” di silice, che però non è un buon conduttore termico.

Tutt’oggi l’aerogel coinvolge un campo di ricerca molto attivo e all’avanguardia, sono stati infatti realizzati aerogel di composito, rinforzando ad esempio la struttura con fibre di vetro al fine di migliorarne le proprietà meccaniche.

La scienza e le tecnologie dei materiali sono discipline indispensabili al benessere dell’umanità sotto innumerevoli punti di vista: l’abbattimento dei costi e l’impatto ambientale ne sono solo alcuni esempi. Il superamento dei limiti da parte degli scienziati rappresenta uno sguardo verso un futuro sempre più lontano ma al tempo stesso sempre più vicino, volto alla sete di conoscenza e di nuove scoperte.