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Química

Materiales hechos a medida: aerogeles de sílice modificados orgánicamente

Los aerogeles son los materiales sólidos más ligeros que se conocen, debido a que la mayor parte de su estructura está hueca. Su extraordinaria porosidad hace que tengan una gran área superficial, lo cual les proporciona características únicas dentro de los materiales sólidos. Este trabajo describe la síntesis de nuevos aerogeles de sílice combinado con moléculas orgánicas y las nuevas propiedades obtenidas.

Referencias

Laura Martín, J. Oriol Ossó, Susagna Ricart, Anna Roig, Olga García, Roberto Sastre "Organo-modified silica aerogels and implications for material hydrophobicity and mechanical properties" Journal of Materials Chemistry, 18 (2008) 207 - 213

Los aerogeles son los materiales sólidos más ligeros que se conocen. Su densidad oscila entre 0,4 g/cm3 y 0,004 g/cm3 (sólo tres veces la densidad del aire). Esta baja densidad es debida a su elevada porosidad: más del 95 % de su volumen está ocupado por aire, lo que da lugar a una elevada área superficial. Estas características los hacen poseedores de unas propiedades únicas en un material sólido, como por ejemplo, una conductividad térmica y una velocidad del sonido extremadamente bajas, así como una transparencia óptica elevada.

 ¿Cómo se obtienen los aerogeles? Se forma un gel a partir de una suspensión de partículas en un líquido (sol) que se empiezan a agregar entre sí  formando una red capilar (proceso sol-gel). Cuando esta estructura se ha extendido por todo el volumen del recipiente que contiene el líquido podemos decir que tenemos un gel. Tal y como su nombre indica, un aerogel es un gel en el cual se ha sustituido el líquido por aire manteniendo su estructura. Esto sólo se consigue con tratamientos a presiones y temperaturas superiores a las del punto crítico del líquido atrapado dentro del esqueleto: en estas condiciones se produce la evacuación del fluido supercrítico sin que se dé una coexistencia de líquido y vapor que destruiría la estructura sólida del gel debido a la presión capilar. Estas condiciones de elevada presión y temperatura (100 bar y 250 ºC) a que hace falta someter un gel para convertirlo en aerogel se consiguen en el Laboratorio de Gases Supercríticos de MATGAS, http://www.matgas.cómo/ . Es posible seguir un proceso de evacuación alternativo a baja temperatura, sustituyendo el solvente por CO₂ líquido.

En el caso de los aerogeles de sílice, su extremada sensibilidad a la humedad y sus limitadas propiedades mecánicas reducen el potencial para utilizarlos en aplicaciones tecnológicas. Los aerogeles de sílice modificados orgánicamente, denominados híbridos orgánico-inorgánicos, podrían ampliar el abanico de aplicaciones de los aerogeles en productos de alto valor añadido. En este trabajo, llevado a término por investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, la UAB y MATGAS con colaboración con miembros del Instituto de Polímeros de Madrid, se han sintetizado dos tipos de geles de sílice modificados orgánicamente, mediante la cogelificación del tetrametoxiortosilicato (TMOS), con los precursores sililados con sustituyente orgánico: el metil-trimetoxisilano (TRIMOS) y el 3-(trimetoxisilil)propil metacrilato (TMSPMA). La concentración de la parte orgánica se fue aumentando hasta que el gel perdía su transparencia (60 % TRIMOS; 25 % TMSPMA). Los geles se secaron tanto en condiciones supercríticas del metanol (260 ºC) cómo del CO₂ (31 ºC). La IR y ¹³C-RMN en estado sólido confirmaron que el secado en las condiciones del metanol provocaba la degradación del grupo metacrilato del TMSPMA, pero que este se mantenía en las condiciones del CO₂.

El material con mejores propiedades fue el hibridado con TRIMOS y secado en condiciones del metanol. Para esta serie, se observó que a medida que se aumenta la concentración de TRIMOS, el área superficial aumenta y la medida de poro disminuye. Más importante fue la comprobación de que estos tipos de aerogeles son muy hidrofóbicos, (tienen poca afinidad por el agua). El grado de hidrofobicidad se puede evaluar midiendo el ángulo de contacto de una gota de agua con la superficie del aerogel. El ángulo de contacto máximo, de 160 º, se encontró al usar un 60 % de TRIMOS (Figura 1). La transparencia característica de los aerogeles de sílice se mantiene hasta un 50 % de TRIMOS. En lo que respecta a las propiedades mecánicas, se observó que a medida que se aumenta la parte orgánica, el aerogel híbrido tiene un carácter más elástico, hecho que lo hace más fácil de manipular, mientras que la dureza del material no se ve afectada.

Anna Roig

Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB)

roig@icmab.es