Los aerogeles, porosos y ultraligeros, son materiales nanoestructurados sintetizados a partir de un gel cuyo componente líquido se sustituye por un gas. El primer aerogel desarrollado a partir de sílice fue descrito por Kistler en 1931. En la década de 1990, la NASA los utilizaba para el aislamiento térmico de naves espaciales, trajes de astronauta y mantas. Desde entonces, los aerogeles se han adoptado para el aislamiento en sistemas submarinos, refinerías de petróleo, conductos industriales, edificios, frigoríficos y prendas de vestir como chaquetas y plantillas de calzado.
Los novedosos métodos de secado de estos materiales dan lugar a la formación de una microestructura dendrítica robusta y ultraligera, compuesta por poros de menos de 100 nm y con un 90-99,8 % de espacio vacío. Dado que estos poros son demasiado pequeños para que el aire pueda atravesarlos, los aerogeles son aislantes muy eficaces.
Gracias a las innovaciones en el procesamiento de estos materiales, actualmente se están desarrollando aerogeles con infinidad de propiedades, que los hacen potencialmente útiles en aplicaciones distintas del aislamiento, como el almacenamiento de energía, la catálisis, la administración de fármacos y muchas otras. Los avances recientes han dado lugar a opciones más duraderas, basadas en estudios centrados en mejorar su integridad estructural y sus propiedades térmicas. Los aerogeles también presentan una superficie específica elevada para un material no particulado, un recorrido libre con una media baja en cuanto a difusión, una conductividad térmica baja, una velocidad acústica baja, un índice de refracción bajo, una constante dieléctrica baja y una densidad extremadamente baja (entre 0,0011 y ~0,5 g/cm³).
Hemos examinado la Colección de contenidos CASTM, la mayor recopilación de información científica seleccionada por humanos, para averiguar dónde tienen mayor repercusión estos avances en ciencias de materiales.
¿Son los aerogeles «humo congelado»?
A algunos de los primeros aerogeles desarrollados, los aerogeles de sílice, se les llamaba «humo congelado» debido a su ligereza y su densidad ultrabaja. Sin embargo, aunque todos los aerogeles son extremadamente ligeros, no están hechos de humo, como sugiere su apodo.
Existen tres tipos principales de aerogeles según su composición: aerogeles inorgánicos, aerogeles orgánicos y compuestos de aerogel. Los aerogeles inorgánicos no solo incluyen los aerogeles de sílice, sino también los aerogeles de óxido metálico y los aerogeles de calcogenuro, que suelen sintetizarse a partir de materiales precursores inorgánicos como alcóxidos metálicos o sales metálicas. Los aerogeles orgánicos comprenden los aerogeles de carbono, los aerogeles de nanotubos de carbono, los aerogeles de grafeno y los aerogeles poliméricos, todos ellos sintetizados a partir de materiales precursores orgánicos como la resina de fenol formaldehído. Los aerogeles compuestos incluyen aerogeles de óxidos mixtos, compuestos de aerogel-estructura metalorgánica, compuestos de aerogel-MXeno y aerogeles sintetizados mediante la combinación de precursores inorgánicos y orgánicos.
Nuestro análisis de la Colección de contenidos CAS muestra el amplio crecimiento de las publicaciones relacionadas con los aerogeles en las últimas dos décadas. Desde 2013, el número de patentes ha aumentado de forma constante, incluso más que las revistas en algunos años, lo que indica un importante interés comercial en este campo (véase la figura 1).
En el caso de determinados tipos de aerogeles, las patentes han superado incluso a las revistas, por ejemplo, los aerogeles inorgánicos, que llevan muchos años en el mercado, así como los aerogeles poliméricos sintéticos más recientes (véase la figura 2). El grupo más reciente, los compuestos de aerogel, tiene, como es lógico, menos publicaciones relacionadas, y las revistas superan ligeramente a las publicaciones de patentes hasta ahora.
También hemos analizado las 20 sustancias más indexadas en la Colección de contenidos CAS a partir de publicaciones en revistas y patentes (figura 3), que guardan una estrecha correlación con el volumen de documentos presentado en la Figura 2. Estas sustancias son los materiales más utilizados para una clase concreta de síntesis de aerogeles.
Exploración de diferentes tipos de aerogeles
Se prevé que el mercado de los aerogeles experimente una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de aproximadamente el 17 % durante el periodo pronóstico 2025-2035. ¿Cuáles son estos diferentes aerogeles que se están desarrollando y cómo podrían utilizarse?
Aerogeles poliméricos: las propiedades de los aerogeles de polímeros sintéticos se asemejan mucho a las de los aerogeles a base de sílice, y su mayor resistencia mecánica y aislante hace que sean adecuados para aplicaciones en el sector aeroespacial, el almacenamiento y la conversión de energía, así como para equipos de protección como chalecos antibalas, rodilleras y equipamiento deportivo. El desarrollo de polímeros biodegradables y de base biológica también está cobrando impulso, ya que estos materiales representan una alternativa sostenible a los materiales de aerogel. Su potencial de funcionalización les confiere propiedades específicas adecuadas para aplicaciones biomédicas, como la ingeniería de tejidos, la medicina regenerativa y los sistemas de administración de fármacos.
Aerogeles inorgánicos: los aerogeles de óxido metálico presentan una estabilidad termo-química excepcional debido a las características inherentes de sus estructuras cristalinas de iones inorgánicos, lo que los hace adecuados para aplicaciones catalíticas. Del mismo modo, los aerogeles de calcogenuros están compuestos principalmente por materiales semiconductores de alta calidad, que los convierte en prometedores para aplicaciones avanzadas como sensores, LED, energía fotovoltaica, fotocatálisis y electrocatálisis.
Aerogeles compuestos: los compuestos de aerogel a base de MXenos y estructuras metalorgánicas son desarrollos recientes que se encuentran aún en fase de investigación. Cabe destacar que la integración estratégica de láminas de MXenos 2D en un aerogel poroso 3D presenta una conductividad eléctrica excepcional, una gran robustez mecánica y una alta capacitancia específica que supera a la de los materiales convencionales para electrodos de supercondensadores. Su flexibilidad y ligereza también los hacen ideales para fabricar dispositivos electrónicos portátiles y flexibles.
La síntesis de aerogeles basados en estructuras metalorgánicas también ha revolucionado la ciencia de materiales, al integrar la micro/mesoporosidad de las estructuras metalorgánicas con la meso/macroporosidad de los aerogeles, lo que da lugar a estructuras con propiedades morfológicas, mecánicas y fisicoquímicas excepcionales. Estos materiales avanzados ya han encontrado numerosas aplicaciones como supercondensadores y en procesos que incluyen la catálisis, la administración de fármacos, la detección, el almacenamiento de energía, el tratamiento de aguas y la remediación ambiental.
Aplicaciones singulares de los aerogeles
Está claro que los aerogeles son muy prometedores para el almacenamiento de energía, la catálisis y diversas aplicaciones biomédicas. También cabe destacar que las industrias de la cosmética y la acústica (aislamiento acústico) tienen más publicaciones de patentes que revistas, lo que pone de relieve la comercialización de los aerogeles en estos campos (véase la figura 4).
Gracias a su capacidad para disminuir la velocidad y la amplitud de las ondas sonoras, los aerogeles pueden utilizarse como materiales de aislamiento acústico. En cosmética, los aerogeles funcionan como agentes antirreflejos en cremas. Se están añadiendo aerogeles compuestos de TiO2-sílice a los protectores solares debido a sus propiedades fotoprotectoras, que pueden aumentar el FPS más allá de lo que se consigue con formulaciones convencionales. Estos usos demuestran el potencial de los aerogeles para mejorar todo tipo de productos, incluidos los bienes de consumo.
Superar los retos de cara a la comercialización
Pese a los numerosos avances recientes, los aerogeles siguen presentando inconvenientes, como su baja resistencia mecánica y su textura frágil, que pueden limitar sus aplicaciones. El desarrollo de aerogeles compuestos y poliméricos está abordando estas cuestiones, pero aún queda mucho por hacer para que se generalice su uso.
Su producción sigue siendo larga y compleja y, aunque se ha logrado la producción a escala de laboratorio, el paso a la producción industrial sin sacrificar la calidad y las propiedades plantea obstáculos importantes. También es fundamental que los investigadores hallen vías para reducir los costes de producción asociados a los aerogeles, tema relacionado con el problema de la producción a escala.
El mercado de los aerogeles se encuentra todavía en sus primeras etapas, por lo que no es de extrañar que persistan ciertos retos. Sin embargo, el futuro de estos materiales es prometedor. A medida que los científicos vayan aprovechando todo su potencial, los aerogeles desempeñarán un papel cada vez más importante en aplicaciones que van desde la energía hasta la medicina, entre otras.
