Resumo executivo
- Aerogéis são materiais nanoestruturados ultraleves e altamente porosos, com 90 a 99,8% de espaço vazio e densidades tão baixas quanto 0,0011 g/cm³. Desenvolvidos pela primeira vez por Samuel Kistler em 1931, eles combinam condutividade térmica extremamente baixa, baixa velocidade acústica, baixa constante dielétrica e alta área superficial em um único material.
- Os aerogéis dividem-se em três classes principais: inorgânicos (sílica, óxido metálico, calcogeneto), orgânicos (carbono, nanotubo de carbono, grafeno, poliméricos) e compósitos (óxidos mistos, baseados em MOF e baseados em Mxene). Cada composição desbloqueia diferentes propriedades mecânicas, térmicas e eletrônicas, ampliando as aplicações do campo muito além do isolamento tradicional.
- A atividade de patentes aumentou drasticamente desde 2013, com volumes de patentes para várias classes de aerogéis agora igualando ou superando a produção de periódicos — um forte sinal de impulso comercial. Projeta-se que o mercado global de aerogéis cresça a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de aproximadamente 17% entre 2025 e 2035.
Porosos e ultraleves, os aerogéis são materiais nanoestruturados sintetizados a partir de um gel onde o componente líquido é substituído por um gás. O primeiro aerogel desenvolvido a partir de sílica foi relatado por Kistler em 1931. Na década de 1990, a NASA os utilizava para isolamento térmico em naves espaciais, trajes espaciais e mantas. Desde então, os aerogéis foram adotados para isolamento em sistemas submarinos, refinarias de petróleo, dutos industriais, edifícios, refrigeradores e vestuário, como jaquetas e palmilhas de calçados.
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Novos métodos de secagem para esses materiais resultam na formação de uma microestrutura dendrítica robusta e ultraleve, composta por poros menores que 100 nm e 90 a 99,8% de espaço vazio. Como esses poros são pequenos demais para a passagem de ar, os aerogéis são isolantes altamente eficazes.
Devido a inovações no processamento desses materiais, os aerogéis estão sendo desenvolvidos com diversas propriedades, tornando-os potencialmente úteis em aplicações além do isolamento, como armazenamento de energia, catálise, liberação de fármacos e muito mais. Avanços recentes levaram a opções mais duráveis, com estudos focados em aprimorar sua integridade estrutural e propriedades térmicas. Os aerogéis também exibem uma alta área superficial específica para um material não pulverulento, um baixo caminho livre médio para difusão, baixa condutividade térmica, baixa velocidade acústica, baixo índice de refração, baixa constante dielétrica e densidade extremamente baixa (variando de 0,0011 a ~0,5 g/cm³).
Examinamos a CAS Content CollectionTM, a maior coleção de informações científicas curadas por especialistas, para descobrir onde esses avanços na ciência dos materiais estão causando o maior impacto.
Aerogéis são “fumaça congelada”?
Alguns dos primeiros aerogéis desenvolvidos — aerogéis de sílica — eram conhecidos como “fumaça congelada” devido às suas propriedades de leveza e densidade ultrabaixa. No entanto, embora todos os aerogéis sejam extremamente leves, eles não são feitos de fumaça, como sugere o apelido.
Existem três tipos principais de aerogéis com base em sua composição: aerogéis inorgânicos, aerogéis orgânicos e compósitos de aerogel. Os aerogéis inorgânicos abrangem não apenas aerogéis de sílica, mas também aerogéis de óxido metálico e de calcogeneto, que são tipicamente sintetizados a partir de precursores inorgânicos, como alcóxidos metálicos ou sais metálicos. Os aerogéis orgânicos compreendem aerogéis de carbono, de nanotubos de carbono, de grafeno e poliméricos, todos sintetizados a partir de precursores orgânicos, como resina fenol-formaldeído. Os aerogéis compósitos incluem aerogéis de óxidos mistos, compósitos de aerogel-rede metal-orgânica (MOF), compósitos de aerogel-Mxene e aerogéis sintetizados pela combinação de precursores inorgânicos e orgânicos.
Nossa análise da CAS Content Collection mostra o crescimento extensivo nas publicações relacionadas a aerogéis nas últimas duas décadas. Desde 2013, o número de patentes aumentou consistentemente, superando até mesmo o de periódicos em alguns anos, o que indica um interesse comercial significativo no campo (veja a Figura 1).
Para certos tipos de aerogéis, as patentes superaram até mesmo os periódicos — aerogéis inorgânicos que estão no mercado há muitos anos, por exemplo, bem como aerogéis de polímeros sintéticos mais recentes (veja a Figura 2). O grupo mais novo, o de compósitos de aerogel, compreensivelmente tem menos publicações relacionadas, e os periódicos estão superando ligeiramente as patentes até o momento.
Também analisamos as 20 principais substâncias indexadas na CAS Content Collection™ a partir de publicações em periódicos e patentes (Figura 3), que se correlacionam estreitamente com o volume de documentos apresentado na Figura 2. Essas substâncias são os materiais mais utilizados para uma determinada classe de síntese de aerogel.
Explorando diferentes tipos de aerogéis
O mercado de aerogéis tem previsão de experimentar uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de aproximadamente 17% durante o período de previsão de 2025-2035. Quais são esses diferentes aerogéis que estão sendo desenvolvidos e como podem ser usados?
Aerogéis poliméricos: As propriedades dos aerogéis de polímeros sintéticos assemelham-se muito às dos aerogéis à base de sílica, e sua maior resistência mecânica e isolante os torna adequados para aplicações em aeroespacial, armazenamento e conversão de energia e equipamentos de proteção, como coletes à prova de balas, joelheiras e equipamentos esportivos. O desenvolvimento de polímeros biodegradáveis e de base biológica também está ganhando força, pois esses materiais apresentam uma alternativa sustentável para materiais de aerogel. Seu potencial de funcionalização confere-lhes propriedades específicas adequadas para aplicações biomédicas, como engenharia de tecidos, medicina regenerativa e sistemas de liberação de fármacos.
Aerogéis inorgânicos: Aerogéis de óxido metálico exibem estabilidade termoquímica excepcional devido às características inerentes de suas estruturas cristalinas de íons inorgânicos, tornando-os adequados para aplicações catalíticas. Da mesma forma, os aerogéis de calcogeneto são compostos principalmente por materiais semicondutores de alta qualidade, tornando-os promissores para aplicações avançadas como sensores, LEDs, fotovoltaicos, fotocatálise e eletrocatálise.
Aerogéis compósitos: Os compósitos de aerogel baseados em MXene e MOF são desenvolvimentos recentes e permanecem na fase de pesquisa. Notavelmente, a integração estratégica de folhas de MXene 2D em um aerogel poroso 3D exibe excelente condutividade elétrica, robustez mecânica e alta capacitância específica, superando os materiais convencionais de eletrodos de supercapacitores. Sua flexibilidade e natureza leve também os tornam ideais para eletrônicos portáteis e flexíveis.
A síntese de aerogéis baseados em MOF também revolucionou a ciência dos materiais ao integrar a micro/mesoporosidade dos MOFs com a meso/macroporosidade dos aerogéis, produzindo estruturas com propriedades morfológicas, mecânicas e físico-químicas excepcionais. Esses materiais avançados já encontraram inúmeras aplicações como supercapacitores e em processos que incluem catálise, liberação de fármacos, sensoriamento, armazenamento de energia, tratamento de água e remediação ambiental.
Aplicações exclusivas de aerogéis
Fica claro que os aerogéis mostram um potencial considerável em armazenamento de energia, catálise e várias aplicações biomédicas. Também é notável que as indústrias de cosméticos e acústica (isolamento acústico) tenham mais publicações de patentes do que de periódicos, destacando a comercialização de aerogéis nesses campos (veja a Figura 4).
Com sua capacidade de diminuir a velocidade e a amplitude das ondas sonoras, os aerogéis podem ser usados como materiais de isolamento acústico. Em cosméticos, os aerogéis funcionam como agentes antibrilho em cremes. Aerogéis compósitos de TiO2-sílica estão sendo adicionados ao protetor solar devido às suas propriedades fotoprotetoras, que podem aumentar o FPS além do que as formulações convencionais podem alcançar. Esses usos demonstram o potencial dos aerogéis para melhorar todos os tipos de produtos, incluindo bens de consumo.
Superando desafios para a comercialização
Apesar de muitos avanços recentes, os aerogéis ainda apresentam desvantagens, como baixa resistência mecânica e textura frágil, que podem limitar suas aplicações. O desenvolvimento de aerogéis compósitos e poliméricos está abordando essas questões, mas ainda há muito trabalho a ser feito para levá-los a um uso mais amplo.
Sua produção continua sendo um processo complexo e demorado e, embora a produção em escala laboratorial tenha sido alcançada, aumentar a escala para a produção industrial sem comprometer a qualidade e as propriedades apresenta um obstáculo substancial. Também é crucial que os pesquisadores encontrem maneiras de reduzir os custos de produção associados aos aerogéis — uma questão relacionada ao problema de escala.
O mercado de aerogéis ainda está em seus estágios iniciais, portanto, não é surpresa que certos desafios permaneçam. No entanto, o futuro desses materiais é brilhante. À medida que os cientistas continuam a aproveitar todo o seu potencial, os aerogéis desempenharão papéis mais impressionantes em aplicações que vão da energia à medicina e muito mais.
