Aerogeles inorgánicos: De materiales nanoporosos a soluciones de aislamiento térmico de alta eficacia

1 Conceptos fundamentales y propiedades notables de los aerogeles

El aerogel es un material sólido nanoporoso tridimensional. Se prepara mediante síntesis sol-gel combinada con técnicas de secado especializadas, como el secado supercrítico o el secado atmosférico. A menudo denominado "humo solidificado", su singularidad radica en su porosidad interna, que supera el 90%. Esto significa que el aire ocupa la mayor parte del espacio del material. La estructura forma un sistema de poros a escala nanométrica, soportado por una estructura sólida y lleno de gas. Esta arquitectura única confiere a los aerogeles varias propiedades excepcionales. Entre ellas se encuentran una conductividad térmica ultrabaja (0,012-0,024 W/(m-K)), una superficie específica ultraelevada, una baja densidad y una extraordinaria flexibilidad de diseño funcional.

Desde el punto de vista químico, los aerogeles se clasifican principalmente en tres tipos. Se trata de aerogeles inorgánicos (como el aerogel de sílice y el aerogel de alúmina), aerogeles orgánicos (como el aerogel de poliimida y el aerogel de celulosa) y aerogeles de carbono (como el aerogel de grafeno y el aerogel de nanotubos de carbono). Esta diversidad permite que los aerogeles se adapten a las distintas exigencias de las aplicaciones. Sus usos van desde la protección térmica en entornos extremos hasta el aislamiento que ahorra energía en la vida cotidiana. Esto demuestra su inmenso potencial en numerosos campos.

Este artículo se centra en los aerogeles inorgánicos, principalmente las variantes basadas en sílice y alúmina, que han demostrado su eficacia en la protección térmica, el aislamiento para el ahorro de energía y otras aplicaciones de alto rendimiento.

Fig. 1 Aerogel

2 Propiedades de los aerogeles fabricados con distintos materiales inorgánicos

2.1 Aerogel de sílice: un material multifuncional con una conductividad térmica ultrabaja

El aerogel de sí lice es un material ligero, poroso y amorfo con excelentes propiedades de aislamiento térmico exotérmico. Su porosidad puede alcanzar el 80-99,8%, con tamaños de poro distribuidos normalmente entre 1 y 100 nm. Presenta una superficie específica de 200-1000 m2/g y una densidad tan baja como 3 kg/m3. A temperatura ambiente, su conductividad térmica es tan baja como 0,012 W/(m-K)-dos o tres órdenes de magnitud inferior a la de los materiales aislantes inorgánicos convencionales e incluso inferior a la del aire estático. Incluso a 800 °C, su conductividad térmica sigue siendo de sólo 0,043 W/(m-K). Presenta propiedades estables a altas temperaturas sin descomponerse, lo que lo convierte en un material respetuoso con el medio ambiente.

Debido a la velocidad del sonido significativamente reducida dentro del aerogel de sílice, sirve como material de retardo acústico o de aislamiento acústico a altas temperaturas. Su amplio rango de impedancia acústica (10^3-10^7 kg/(m2-s)) permite su uso como material de acoplamiento de impedancia acústica para amplificar la intensidad del sonido. Además, debido a la estructura de nano-red del aerogel de sílice, los dopantes existen como nanocristales en su interior, mostrando una fuerte emisión de luz visible. Esto constituye una prueba convincente de la luminiscencia de confinamiento cuántico en el silicio poroso. Aprovechando la estructura del aerogel de sílice y los efectos ópticos no lineales del C60, pueden desarrollarse nuevas lentes protectoras de láser.

Fig. 2 Prueba de resistencia térmica del aerogel de sílice

2.2 Aerogel de alúmina: aislante estable a altas temperaturas

Los aerogeles dealúmina son nuevos materiales inorgánicos no metálicos compuestos principalmente de alúmina, con una estructura central de red nanoporosa. Caracterizado por una elevada superficie específica, alta porosidad y baja densidad, es un material poroso excepcional con excelentes propiedades de aislamiento térmico. Su conductividad térmica es significativamente inferior a la de los materiales aislantes tradicionales, bloqueando eficazmente la transferencia de calor.

Las características más destacadas del aerogel de alúmina son su elevadísima superficie específica y su baja densidad. Las investigaciones indican que, mediante técnicas de preparación optimizadas, su superficie específica puede alcanzar hasta 744,5 m2/g, mientras que su densidad puede descender hasta 0,063 g/cm3. Este material forma una estructura de red tridimensional compuesta de nanopartículas, rellena internamente de poros a nanoescala. Esto le confiere una elevada porosidad, con diámetros de poro que oscilan normalmente entre 10 y 100 nanómetros y volúmenes de poro que alcanzan entre 0,4 y 0,9 cm3/g. Estas características estructurales confieren colectivamente propiedades excepcionales de aislamiento térmico al aerogel de alúmina. A temperatura ambiente (30°C), su conductividad térmica puede ser tan baja como 0,029 W/(m-K). Incluso en condiciones de alta temperatura (por ejemplo, 1000°C), la conductividad térmica sigue siendo de sólo 0,0685 W/(m-K).

El aerogel de alúmina también presenta una excelente estabilidad química y térmica. En comparación con el aerogel de sílice, presenta una resistencia superior a las altas temperaturas, manteniendo bien su estructura nanoporosa incluso a 1000°C. Los estudios también revelan que tras 2 horas de tratamiento térmico a 1200°C, su superficie específica se mantiene en 153,45 m2/g, sin cambios significativos en su estructura porosa en forma de hoja, lo que demuestra una extraordinaria estabilidad a altas temperaturas. El dopaje con heteroátomos como el estroncio, el lantano y el silicio puede suprimir aún más las transiciones de fase y la sinterización del grano a temperaturas elevadas. Por ejemplo, las muestras dopadas con silicio presentan una superficie específica de 146 m2/g tras un tratamiento térmico de 1200°C, lo que amplía el límite superior de temperatura de funcionamiento a 1600°C.

2.3 Aerogel compuesto de aluminosilicato: mayor dureza y resistencia a temperaturas ultraelevadas

Los aerogeles de silicato de aluminio han sido objeto de gran atención debido a su excepcional resistencia mecánica y a las altas temperaturas. Aunque los aerogeles de sílice tradicionales presentan una conductividad térmica extremadamente baja, sufren un colapso estructural y una degradación del rendimiento a temperaturas elevadas (normalmente superiores a 800 °C). Por el contrario, los aerogeles de alúmina pura, aunque son capaces de soportar temperaturas más elevadas, a menudo se enfrentan a problemas de estabilidad derivados de las transiciones de fase.

Al incorporar una fase de alúmina en el aerogel de sílice, los aerogeles basados en aluminosilicato amplían con éxito el rango de tolerancia térmica del material hasta 1200-1400°C, manteniendo al mismo tiempo una baja conductividad térmica a temperaturas elevadas. Este material compuesto combina la estructura nanoporosa de la sílice con la estabilidad a altas temperaturas de la alúmina. La incorporación de fibras de aluminosilicato como fases de refuerzo resuelve eficazmente la fragilidad inherente y las pobres propiedades mecánicas de los aerogeles tradicionales.

Fig. 3 Material aislante de placa compuesta de aerogel de silicato de aluminio

3 Técnicas de preparación y retos de los aerogeles

3.1 Aerogel de sílice: rutas de precursores y escalabilidad industrial

El trimetilortosilicato (TMOS) y el tetraetilortosilicato (TEOS) son las fuentes de silicio más clásicas para preparar aerogeles de sílice de gran pureza y alto rendimiento. Su síntesis implica principalmente dos reacciones clave: hidrólisis y condensación. La hidrólisis genera grupos silanol activos, que luego se condensan para formar una estructura de red Si-O-Si tridimensional estable. Este método ofrece las ventajas de la gran pureza del producto y la capacidad de ajuste estructural; sin embargo, sus inconvenientes incluyen la toxicidad inherente de los precursores y los costes relativamente elevados de las materias primas. A partir de estos precursores, una serie de procesos refinados -como la gelificación, el envejecimiento, el intercambio de disolventes y el secado supercrítico- permiten obtener aerogeles de sílice estructuralmente puros y completos.

Los soles de sílice, coloides estables formados por la dispersión de partículas de sílice a nanoescala en agua o disolventes, representan otra fuente práctica de silicio para la síntesis de aerogeles de sílice. Este proceso evita algunos pasos de hidrólisis, utilizando directamente nanopartículas preformadas en el sol como unidades estructurales fundamentales para construir una red tridimensional mediante concentración y policondensación. Este método ofrece un procesamiento relativamente simplificado y una menor toxicidad de las materias primas. Los aerogeles preparados por esta vía también requieren tratamientos posteriores como la gelificación, el envejecimiento, el intercambio de disolventes y el secado supercrítico. Los aerogeles resultantes pueden alcanzar excelentes niveles de pureza y rendimiento.

El vidrio al agua (solución de silicato sódico) destaca como una opción ideal para la producción industrial a gran escala de aerogeles de sílice debido a sus importantes ventajas de bajo coste y materias primas fácilmente disponibles. Sin embargo, un reto fundamental en su proceso de preparación radica en la introducción de impurezas como los iones de sodio (Na+) en la red del gel. Estas impurezas suelen requerir un riguroso intercambio iónico y amplios pasos de lavado y sustitución de disolventes para su eliminación, lo que hace que el proceso sea relativamente engorroso. A pesar de estas dificultades de purificación, la optimización de los tratamientos posteriores puede mejorar eficazmente la pureza y el rendimiento general del aerogel final, lo que le permite ser muy competitivo en ámbitos de aplicación sensibles a los costes.

Fig. 4 Preparación del aerogel de sílice

3.2 Aerogel de alúmina: selección de precursores y problemas de estabilidad

En la preparación de aerogeles de alúmina de alto rendimiento se utiliza principalmente la ruta de hidrólisis de alcoholatos, que es el método más establecido para producir productos de alta pureza. Este proceso utiliza precursores como el sec-butóxido de aluminio o el isopropóxido de aluminio. Implica reacciones de hidrólisis y condensación estrechamente controladas que crean una red Al-O-Al interconectada. Posteriormente, el secado supercrítico produce aerogeles con nanoestructuras bien definidas y elevadas superficies específicas. Aunque este método garantiza una estructura de poros y una pureza superiores, su uso práctico se ve limitado por el elevado coste y la notable sensibilidad a la humedad de los precursores.

Para superar los problemas económicos, el método de la sal de aluminio inorgánica ofrece una alternativa práctica. Este método utiliza precursores rentables como el cloruro o el nitrato de aluminio y emplea promotores de la gelificación como el óxido de propileno para influir en la velocidad de reacción. Aunque su funcionamiento es más sencillo y el coste de las materias primas es bajo, este método introduce impurezas aniónicas que requieren una purificación exhaustiva mediante lavados repetidos. Si estos residuos no se eliminan adecuadamente, pueden debilitar significativamente la estabilidad térmica del aerogel resultante.

La mejora del rendimiento a altas temperaturas es un importante campo de investigación, en el que el dopaje elemental se ha convertido en una estrategia esencial. La adición de estabilizadores como el lantano, el silicio o el estroncio puede reducir eficazmente los cambios de fase perjudiciales, especialmente la transición γ→α, y evitar el engrosamiento del grano a temperaturas más altas. Las mezclas de dopantes optimizadas permiten conservar superficies específicas superiores a 150 m2/g tras la exposición a 1200°C, elevando así la temperatura máxima de servicio a unos 1600°C.

El método de secado es crucial para mantener la estructura del producto final. El secado supercrítico es la técnica estándar, ya que casi elimina las tensiones capilares al tiempo que elimina el disolvente, preservando la arquitectura a nanoescala. Como alternativa, han surgido técnicas de secado a presión atmosférica que utilizan métodos de funcionalización de superficies, como los tratamientos de silanización. Estos tratamientos confieren a la red de geles propiedades hidrófobas. Esta mejora permite un secado satisfactorio en condiciones normales manteniendo intacta la integridad estructural, lo que constituye una opción prometedora para la fabricación a gran escala.

Fig. 5 Proceso Sol-Gel

3.3 Aerogel de aluminosilicato: una estrategia de diseño de compuestos

La tecnología de estructuras reforzadas con fibras es la solución básica para mejorar las propiedades mecánicas y térmicas de los aerogeles. Este método utiliza fibras prefabricadas de aluminosilicato o mullita como estructura tridimensional, empleando un proceso sol-gel para construir in situ una matriz de aerogel nanoporosa dentro de la red de fibras. Esta configuración compuesta -un "esqueleto de carga de fibra + relleno de aislamiento térmico de aerogel"- combina ingeniosamente la dureza y resistencia superiores de las fibras con las excepcionales propiedades de aislamiento térmico del aerogel, superando así con éxito la fragilidad inherente de los aerogeles de sílice tradicionales.

El control interfacial es fundamental para determinar el rendimiento de los compuestos. Las investigaciones confirman que es fundamental regular con precisión el entorno del pH del proceso sol-gel, por ejemplo, manteniendo unas condiciones débilmente alcalinas en torno al pH=8. En estas condiciones optimizadas, el aerogel se convierte en un material de alta calidad. En estas condiciones optimizadas, el precursor de aerogel se deposita de manera más uniforme y se adhiere firmemente a la superficie de la fibra, mejorando significativamente la fuerza de unión interfacial. Esto se manifiesta macroscópicamente como una notable mejora de la resistencia mecánica general del material.

El refuerzo de la fase mullita representa una estrategia de vanguardia para optimizar aún más el rendimiento a altas temperaturas. En comparación con las fibras de aluminosilicato convencionales, las fibras de mullita presentan inherentemente una estabilidad térmica superior y una fluencia a alta temperatura reducida. La utilización de mullita como fase de refuerzo suprime eficazmente los fenómenos de contracción y sinterización en los materiales compuestos expuestos a entornos extremos que superan los 1.000 °C. Esto permite que el material mantenga su integridad estructural. Esto permite que el material mantenga su integridad estructural y sus excelentes propiedades de aislamiento térmico durante un servicio prolongado a altas temperaturas.

4 Campos de aplicación de los aerogeles de distintos materiales

El aerogel de sílice, como material nanoporoso más representativo, demuestra unas ventajas de rendimiento extraordinarias en el rango de temperaturas medias y bajas por debajo de 800°C. Su conductividad térmica a temperatura ambiente puede ser tan baja como 0,018-0,023 W/(m-K). Combinado con técnicas de preparación perfeccionadas, encuentra amplias aplicaciones en la eficiencia energética de edificios y el aislamiento de tuberías industriales. Especialmente en aplicaciones sensibles al peso y al espacio, como el aislamiento térmico de las baterías de los vehículos de nueva energía y los materiales de relleno para equipos de exterior, su ligereza complementa a la perfección su conductividad térmica ultrabaja. Además, su incombustibilidad de clase A y su repelencia al agua de hasta el 99% lo hacen muy eficaz en revestimientos de edificios que exigen una estricta seguridad contra incendios y resistencia a la humedad.

El aerogel de alúmina demuestra un valor único en rangos de temperatura más amplios, funcionando eficazmente a 1000-1300°C. De este modo se reduce la diferencia de rendimiento entre el aerogel de sílice y los materiales refractarios tradicionales. Mediante el dopaje de elementos estabilizadores como el lantano y el silicio, se pueden suprimir significativamente las transiciones de fase y el crecimiento de grano a altas temperaturas. Esto permite que el material mantenga una superficie específica superior a 150 m²/g incluso después de un tratamiento térmico a 1200°C. Esta característica lo convierte en una opción ideal para el aislamiento térmico en revestimientos de hornos industriales de alta temperatura y capas aislantes auxiliares en sistemas de protección térmica aeroespaciales, desempeñando un papel vital en las mejoras de ahorro energético en industrias como la del acero, el cemento y la cerámica.

Mediante un innovador diseño de estructura compuesta de "esqueleto de fibra-matriz de aerogel", el aerogel compuesto de silicato de aluminio supera con éxito las limitaciones de fragilidad de los aerogeles tradicionales, al tiempo que amplía su tolerancia a la temperatura a 1200-1400°C. Esta estructura única mantiene un excelente aislamiento térmico al tiempo que mejora significativamente las propiedades mecánicas, logrando una resistencia a la compresión superior a 0,46 MPa y una contracción lineal inferior al 8% a 1200°C. Estas características lo convierten en un material crítico para entornos extremos, como los escudos térmicos del compartimento de servomotores de misiles, el aislamiento del compartimento de motores de aviación y las juntas de válvulas industriales de alta temperatura. Ocupa un lugar insustituible en los sectores aeroespacial y militar, entre otros.

Tabla 1 Principales tipos de aerogel y sus características comparativas

5 Conclusión

Los aerogeles inorgánicos, como clase de materiales avanzados que presentan estructuras nanoporosas tridimensionales, demuestran un inmenso potencial de aplicación en múltiples campos debido a sus propiedades únicas. En este artículo se analizan sistemáticamente las características del material, los procesos de preparación y las perspectivas de aplicación de tres aerogeles inorgánicos principales.

Desde el punto de vista de las propiedades de los materiales, los aerogeles basados en sílice, alúmina y aluminosilicato forman un espectro completo de prestaciones: Los aerogeles de sílice presentan extraordinarias propiedades de aislamiento térmico por debajo de 800°C, con una conductividad térmica tan baja como 0,012 W/(m-K) a temperatura ambiente, al tiempo que demuestran un valor especial en acústica y óptica no lineal; los aerogeles de alúmina, mediante técnicas de preparación optimizadas, alcanzan áreas superficiales específicas de hasta 744,5 m²/g y mantienen la estabilidad estructural a 1000-1300°C, llenando un vacío técnico en los materiales aislantes de media a alta temperatura. Los aerogeles compuestos de aluminosilicato, mediante un diseño compuesto de "matriz de aerogel reforzada con fibras", elevan su tolerancia a la temperatura a 1400°C al tiempo que mejoran significativamente las propiedades mecánicas, resolviendo así la fragilidad inherente a los aerogeles convencionales. En cuanto a las técnicas de preparación, cada aerogel presenta características distintas: el aerogel de sílice emplea tres rutas de proceso -ortosilicato, sol-gel y vidrio de agua- que equilibran la pureza, el coste y la escalabilidad; el aerogel de alúmina emplea el método del alcoholato y el método de la sal de alúmina inorgánica para cumplir los requisitos de alta pureza y bajo coste, respectivamente; mientras que el aerogel compuesto de aluminosilicato consigue una mejora sinérgica del rendimiento mediante el refuerzo de las fibras, la regulación interfacial y la introducción de la fase mullita. En los ámbitos de aplicación, estos materiales presentan distintas especializaciones: el aerogel de sílice domina los sectores de temperaturas medias y bajas, como la eficiencia energética de los edificios, las tuberías industriales y los vehículos de nueva energía; el aerogel de alúmina desempeña un papel fundamental en los hornos industriales de alta temperatura y los sistemas de protección térmica aeroespaciales; mientras que el aerogel compuesto de aluminosilicato tiene un valor insustituible en entornos extremos, como los equipos aeroespaciales y militares.

De cara al futuro, el desarrollo del aerogel inorgánico avanzará hacia la multifuncionalidad, la inteligencia y la sostenibilidad. En Stanford Advanced Materials (SAM), suministramos aerogeles de alta calidad, incluidas variantes basadas en sílice, alúmina y aluminosilicato, para apoyar a industrias que van desde la eficiencia energética hasta la aeroespacial, impulsando la innovación y contribuyendo a un futuro más ecológico y con bajas emisiones de carbono.