Resumen ejecutivo
- Los aerogeles son materiales nanoestructurados ultraligeros y altamente porosos, con entre un 90 y un 99,8 % de espacio vacío y densidades tan bajas como 0,0011 g/cm³. Desarrollados por primera vez por Samuel Kistler en 1931, combinan una conductividad térmica extremadamente baja, una baja velocidad acústica, una constante dieléctrica reducida y una gran superficie específica en un solo material.
- Los aerogeles se dividen en tres clases principales: inorgánicos (sílice, óxido metálico, calcogenuro), orgánicos (carbono, nanotubos de carbono, grafeno, poliméricos) y compuestos (óxidos mixtos, basados en MOF y basados en MXeno). Cada composición permite obtener diferentes propiedades mecánicas, térmicas y electrónicas, lo que amplía las aplicaciones del campo mucho más allá del aislamiento tradicional.
- La actividad de patentes ha aumentado drásticamente desde 2013, y el volumen de patentes de varias clases de aerogeles iguala o supera actualmente a la producción de artículos científicos, lo que constituye una clara señal de impulso comercial. Se prevé que el mercado mundial de aerogeles crezca a una tasa compuesta anual (CAGR) de aproximadamente el 17 % entre 2025 y 2035.
Porosos y ultraligeros, los aerogeles son materiales nanoestructurados sintetizados a partir de un gel en el que el 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 en naves espaciales, trajes espaciales y mantas. Desde entonces, los aerogeles se han adoptado para el aislamiento en sistemas submarinos, refinerías de petróleo, tuberías industriales, edificios, frigoríficos y prendas de vestir, como chaquetas y plantillas para calzado.
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Los novedosos métodos de secado de estos materiales dan lugar a la formación de una microestructura dendrítica robusta y ultraligera, que consiste en poros de menos de 100 nm y entre un 90 y un 99,8 % de espacio vacío. Dado que estos poros son demasiado pequeños para que el aire pueda circular a través de ellos, los aerogeles son aislantes altamente eficaces.
Debido a las innovaciones en el procesamiento de estos materiales, actualmente se están desarrollando aerogeles con múltiples propiedades, lo que los hace potencialmente útiles en aplicaciones más allá del aislamiento, como el almacenamiento de energía, la catálisis, la administración de fármacos y otras. Los avances recientes han dado lugar a opciones más duraderas, con estudios centrados en mejorar su integridad estructural y sus propiedades térmicas. Los aerogeles también presentan una elevada superficie específica para ser un material no pulverulento, un camino libre medio bajo para la difusión, una baja conductividad térmica, una baja velocidad acústica, un bajo índice de refracción, una constante dieléctrica reducida y una densidad extremadamente baja (que oscila entre 0,0011 y ~0,5 g/cm³).
Hemos examinado la CAS Content CollectionTM, la mayor colección de información científica seleccionada por expertos, para averiguar dónde están teniendo mayor impacto estos avances en ciencia de materiales.
¿Son los aerogeles "humo congelado"?
Algunos de los primeros aerogeles desarrollados —los aerogeles de sílice— eran conocidos como «humo congelado» debido a sus propiedades de ligereza y 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 aerogeles compuestos. Los aerogeles inorgánicos no solo abarcan los de sílice, sino también los de óxido metálico y los de calcogenuro, que suelen sintetizarse a partir de precursores inorgánicos como alcóxidos metálicos o sales metálicas. Los aerogeles orgánicos comprenden los de carbono, nanotubos de carbono, grafeno y poliméricos, todos ellos sintetizados a partir de precursores orgánicos como la resina de fenol-formaldehído. Los aerogeles compuestos incluyen los de óxidos mixtos, los compuestos de aerogel-redes metal-orgánicas (MOF), los compuestos de aerogel-MXeno y los aerogeles sintetizados combinando precursores inorgánicos y orgánicos.
Nuestro análisis de la CAS Content Collection muestra el amplio crecimiento de las publicaciones relacionadas con los aerogeles en las dos últimas décadas. Desde 2013, el número de patentes ha aumentado de forma constante, incluso más que el de artículos científicos en algunos años, lo que indica un importante interés comercial en el sector (véase la Figura 1).
En el caso de ciertos tipos de aerogeles, las patentes han superado incluso a las publicaciones científicas; por ejemplo, los aerogeles inorgánicos que llevan muchos años en el mercado, así como los aerogeles de polímeros sintéticos más recientes (véase la Figura 2). El grupo más novedoso, el de los aerogeles compuestos, cuenta comprensiblemente con menos publicaciones relacionadas, y hasta el momento las revistas científicas superan ligeramente a las patentes.
También analizamos las 20 sustancias indexadas principales dentro de la CAS Content Collection™ procedentes de publicaciones científicas y patentes (Figura 3), las cuales guardan una estrecha correlación con el volumen de documentos presentado en la Figura 2. Estas sustancias son los materiales más utilizados para una clase determinada de síntesis de aerogeles.
Exploración de los 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 de previsión 2025-2035. ¿Qué 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 los hace adecuados para aplicaciones en el sector aeroespacial, el almacenamiento y la conversión de energía, y equipos de protección como chalecos antibalas, rodilleras y material deportivo. El desarrollo de polímeros biodegradables y de base biológica también está cobrando impulso, ya que estos materiales representan una alternativa sostenible para los aerogeles. 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 óxidos metálicos exhiben una estabilidad termoquímica 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, lo que los hace prometedores para aplicaciones avanzadas como sensores, LED, fotovoltaica, fotocatálisis y electrocatálisis.
Aerogeles compuestos: Los aerogeles compuestos basados en MXeno y MOF son desarrollos recientes y permanecen en fase de investigación. Cabe destacar que la integración estratégica de láminas de MXeno 2D en un aerogel poroso 3D presenta una conductividad eléctrica, una robustez mecánica y una capacitancia específica elevadas, superando a los materiales convencionales para electrodos de supercondensadores. Su flexibilidad y ligereza los hacen también ideales para la electrónica portátil y flexible.
La síntesis de aerogeles basados en MOF también ha revolucionado la ciencia de los materiales al integrar la micro/mesoporosidad de los MOF con la meso/macroporosidad de los aerogeles, dando 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 únicas de los aerogeles
Está claro que los aerogeles son muy prometedores en el almacenamiento de energía, la catálisis y diversas aplicaciones biomédicas. También cabe destacar que las industrias de la cosmética y la acústica (insonorización) cuentan con más patentes que publicaciones científicas, lo que pone de relieve la comercialización de los aerogeles en estos campos (véase la Figura 4).
Gracias a su capacidad para reducir 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 antibrillo 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 pueden lograr las formulaciones convencionales. Estos usos demuestran el potencial de los aerogeles para mejorar todo tipo de productos, incluidos los bienes de consumo.
Superación de los retos para la comercialización
A pesar de los numerosos avances recientes, los aerogeles siguen teniendo inconvenientes, como su baja resistencia mecánica y su textura frágil, que pueden limitar sus aplicaciones. El desarrollo de aerogeles compuestos y poliméricos está abordando estos problemas, pero aún queda trabajo por hacer para lograr un uso más generalizado.
Su producción sigue siendo un proceso complejo y lento, y aunque se ha logrado la producción a escala de laboratorio, aumentar la escala a nivel industrial sin comprometer la calidad y las propiedades representa un obstáculo importante. También es crucial que los investigadores encuentren formas de reducir los costes de producción asociados a los aerogeles, un problema relacionado con la cuestión de la escala.
El mercado de los aerogeles aún se encuentra en sus primeras etapas, por lo que no es de extrañar que sigan existiendo ciertos retos. Sin embargo, el futuro de estos materiales es brillante. A medida que los científicos sigan aprovechando todo su potencial, los aerogeles desempeñarán papeles más impresionantes en aplicaciones que van desde la energía hasta la medicina y mucho más.
