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enzorochafotografia · 4 years

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Aerogel

Definição

Um aerogel é uma espuma sólida mesoporosa de células abertas que é composta por uma rede de nanoestruturas interconectadas e que exibe uma porosidade (volume não sólido) não inferior a 50%.

O termo “mesoporoso” se refere a um material que contém poros que variam de 2 a 50 nm de diâmetro.

De modo geral, a maioria dos poros em um aerogel está dentro dessa faixa de tamanho. Na prática, a maioria dos aerogéis exibe algo entre 90 a 99,8 +% de porosidade e também contém uma quantidade significativa de microporosidade (poros com menos de 2 nm de diâmetro).

Aerogel é um termo amplo usado para falar sobre um grupo extraordinário de materiais que têm sido usados desde 1960 em viagens espaciais, mas agora estão encontrando usos em uma ampla gama de indústrias.

Aerogel não é um mineral ou material específico com uma fórmula química definida, em vez disso, o termo é usado para abranger todos os materiais com uma estrutura geométrica específica. Esta estrutura é uma espuma sólida extremamente porosa, com alta conectividade entre estruturas ramificadas de alguns nanômetros de diâmetro.

O que é aerogel?

O aerogel é um material avançado que contém 15 entradas no Livro de Recordes do Guinness para propriedades como sólido de menor densidade e melhor isolante. É uma substância à base de sílica, consistindo de uma rede dendrítica solta do átomo de silício.

O aerogel é fabricado removendo delicadamente o líquido, geralmente etanol, de um alcogel de sílica, substituindo-o por nada além de ar, que compõe 99,8% do produto final.

Alguns aerogéis têm densidade tão baixa quanto 0,001 gramas por centímetro cúbico (0,0005 onças por polegada cúbica).

A sensação tátil do aerogel é como a da espuma plástica dura. Sua aparência física é semitransparente como a de uma névoa solidificada, o que lhe valeu o apelido de “fumaça congelada”.

O aerogel se estilhaça facilmente, tornando-o inadequado como isolante independente para janelas, mas pode suportar até 2.000 vezes seu próprio peso.

É muito caro devido aos produtos químicos e processos subjacentes à sua fabricação.

Existem diferentes variedades de aerogel, com cores e intensidades ligeiramente diferentes, com base nas variações do processo de fabricação.

O aerogel foi criado por Steven Kistler em 1931, mas suas aplicações não foram verdadeiramente realizadas até os anos sessenta e setenta.

A década de 1980 viu um renascimento no campo dos aerogéis, com instituições de primeira linha como a NASA e o Berkeley Labs trabalhando em pesquisas nessa área.

Eles têm sido considerados como um substituto para a espuma de poliuretano em refrigeradores e como isolante para janelas.

O aerogel tem sido usado em missões espaciais da NASA para capturar partículas de micrometeorito para estudo sem danificar sua estrutura.

O aerogel é produzido liberando toda a água de um gel de sílica coloidal sem perturbar sua estrutura geral. Quando os géis morrem sob temperaturas e pressões normais, a tensão superficial nos minúsculos poros do gel faz com que a estrutura se contraia e se reduza a cerca de 10 vezes seu volume original. Na fabricação de aerogel, um gel é colocado em um recipiente de alta temperatura (280 °C) e pressão (816,5 quilogramas por polegada quadrada ou 1.241 Newtons por centímetro quadrado).

Isso faz com que o líquido dentro do gel entre em um estado supercrítico, permitindo uma transição de fase de líquido para gás sem o encolhimento que o acompanha, o que causa o colapso de uma estrutura fina de gel.

Este processo é conhecido como secagem supercrítica.

No início, o processo demorava dias para criar os aerogéis, mas as melhorias reduziram o tempo de secagem para algumas horas. O processo ainda consome muita energia, levando ao alto custo dos aerogéis.

Os aerogéis realmente se qualificam como um “material da era espacial”, um arranjo avançado da matéria sem nenhum análogo na natureza. Pode um dia ser usado em uma variedade de aplicações, desde isolamento para habitações até novas formas de arte. Muitos jovens pesquisadores estão focados no material, misturando aerogel com aditivos como carbono para aumentar suas propriedades de isolamento ou trabalhando para minimizar o tamanho dos poros para tornar o aerogel o mais transparente possível.

Há muitas direções para pesquisas futuras e muitas aplicações potenciais se essa pesquisa der frutos.

Aerogel – Materiais

Os aerogéis são uma classe diversa de materiais porosos e sólidos que exibem uma variedade incrível de propriedades extremas de materiais.

Mais notavelmente os aerogéis são conhecidos por suas densidades extremamente baixas (que variam de 0,0011 a ~ 0,5 g cm-3).

Na verdade, os materiais sólidos de menor densidade que já foram produzidos são todos os aerogéis, incluindo um aerogel de sílica que, conforme produzido, era apenas três vezes mais pesado que o ar e poderia se tornar mais leve que o ar ao evacuar o ar por seus poros. Dito isso, os aerogéis geralmente têm densidades de 0,020 g cm-3 ou mais (cerca de 15 vezes mais pesados que o ar). Mas, mesmo nessas densidades, seriam necessários 150 pedaços de aerogel do tamanho de um tijolo para pesar tanto quanto um único galão de água!

E se o David de Michaelangelo fosse feito de um aerogel com densidade de 0,020 g cm-3, ele pesaria apenas cerca de 2 kg!

Normalmente os aerogéis têm 95-99% de ar (ou outro gás) em volume, com o aerogel de menor densidade já produzido tendo 99,98% de ar em volume.

Essencialmente, um aerogel é a estrutura sólida seca, de baixa densidade, porosa e sólida de um gel (a parte de um gel que dá ao gel sua coesividade de tipo sólido) isolado intacto do componente líquido do gel (a parte que compõe a maioria do volume do gel). Os aerogéis são porosos abertos (ou seja, o gás no aerogel não fica preso em bolsas sólidas) e têm poros na faixa de <1 a 100 nanômetros (bilionésimos de um metro) de diâmetro e geralmente <20 nm.

Aerogéis são materiais secos (ao contrário dos géis “normais” que você possa imaginar, que geralmente são úmidos como sobremesas de gelatina).

A palavra aerogel se refere ao fato de que os aerogéis são derivados de géis – efetivamente a estrutura sólida de um gel úmido, apenas com um gás ou vácuo em seus poros em vez de líquido. Saiba mais sobre géis, aerogéis e como os aerogéis são feitos.

Do que são feitos os aerogéis?

O termo aerogel não se refere a uma substância em particular, mas sim a uma geometria que uma substância pode assumir – da mesma forma que uma escultura pode ser feita de argila, plástico, papel machê, etc., os aerogéis podem ser feitos de um grande variedade de substâncias, incluindo:

Sílica

A maioria dos óxidos de metal de transição (por exemplo, óxido de ferro) A maioria dos óxidos de metal lantanídeo e actinídeo (por exemplo, óxido de praseodímio) Vários óxidos de metal do grupo principal (por exemplo, óxido de estanho) Polímeros orgânicos (como resorcinol-formaldeído, fenol-formaldeído, poliacrilatos, poliestirenos, poliuretanos e epóxis) Polímeros biológicos (como gelatina, pectina e ágar ágar) Nanoestruturas semicondutoras (como pontos quânticos de seleneto de cádmio) Carbono Nanotubos de carbono

Metais (como cobre e ouro)

Compósitos de aerogel, por exemplo aerogéis reforçados com revestimentos de polímero ou aerogéis incorporados com nanopartículas magnéticas, também são preparados rotineiramente.

Como o aerogel é criado?

Em termos gerais, o aerogel é criado pela secagem de um gel, em um ambiente de alta temperatura.

Primeiro, o gel é criado em uma solução e, em seguida, o componente líquido é removido por meio de secagem supercrítica, que remove o líquido lentamente a fim de manter a forma estrutural.

Este componente líquido é então substituído por ar.

O aerogel foi criado em 1931 por Samuel Stephens Kistler, com aerogéis de carbono introduzidos pela primeira vez na década de 1980.

Resumo

Os aerogéis existem há mais de 80 anos.

Inventado em 1931 pelo Dr. Samuel Kistler no College of the Pacific na Califórnia, o aerogel de sílica é um sólido leve derivado do gel no qual o componente líquido do gel foi substituído por gás. Quando o líquido é removido, o que resta é “areia estufada”, com porosidade de até 99%. O resultado é um sólido de baixíssima densidade com várias propriedades notáveis, principalmente sua eficácia como isolante térmico.

Os aerogéis também têm valor em aplicações emergentes, como armazenamento de energia, filtragem e captura de carbono.

Os sólidos nos aerogéis de sílica são maus condutores, consistem em aglomerados muito pequenos, tridimensionais e entrelaçados que compreendem apenas 3% do volume. A condução através do sólido é, portanto, muito baixa. Os 97% restantes do volume dos aerogéis são compostos de ar em nanoporos extremamente pequenos. O ar tem pouco espaço para se mover, inibindo tanto a convecção quanto a condução da fase gasosa.

Essas características tornam os aerogéis o isolante térmico de menor densidade e mais eficaz do mundo.

Depois de muitas décadas como curiosidade de laboratório, a Aspen Aerogels comercializou com sucesso uma forma técnica e economicamente viável de aerogel para uso industrial e de isolamento de edifícios.

Fonte: www.aerogel.org/https://ift.tt/3j2cSmm

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enzorochafotografia · 4 years

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Fluido Supercrítico

Um fluido supercrítico é uma substância a uma temperatura acima de seu ponto crítico, com propriedades intermediárias entre as de um líquido e as de um gás.

Um fluido supercrítico (SFC) é um material que pode ser líquido ou gás, usado em um estado acima da temperatura crítica e da pressão crítica em que gases e líquidos podem coexistir.

Não há tensão superficial em um fluido supercrítico, pois não há limite de fase líquido/gás.

Um fluido supercrítico não é um gás nem um líquido, mas uma fase única com propriedades entre os dois.

O que é um fluido supercrítico?

Um fluido supercrítico é uma substância que foi aquecida acima do seu ponto crítico. O ponto crítico de uma substância é o ponto em que a pressão crítica e a temperatura crítica coexistem, permitindo que a substância exista em suas formas líquida e gasosa em equilíbrio. O resultado de levar uma substância além desse ponto é que um fluido tem as propriedades de dissolução de um líquido, mas as propriedades de difusão de um gás. Isso significa que ele pode dissolver substâncias como um líquido enquanto se expande para encher um recipiente como um gás.

Essas propriedades exclusivas permitem que seja usado em diferentes indústrias.

Quando uma substância é tomada acima de seu ponto crítico, ela se torna um fluido supercrítico.

Para que um fluido se torne supercrítico, uma pessoa deve conhecer a temperatura crítica e a pressão crítica.

Normalmente, um gás a alta temperatura pode ser transformado em líquido com a adição de pressão, e um líquido a alta pressão pode se transformar em gás com a adição de calor.

A pressão crítica é a pressão acima da qual uma substância não pode existir como gás, apesar de quão alta é a temperatura. Da mesma forma, a temperatura crítica é o ponto acima do qual uma substância não pode ser um líquido, apesar de quão alta a pressão é.

Quando uma substância é aquecida acima da temperatura crítica e colocada sob uma pressão acima da pressão crítica, ocorre um fenômeno interessante. A substância não pode ser um líquido ou um gás.

Pelo contrário, tem as propriedades de ambos. As linhas entre as fases da matéria praticamente desaparecem e o fluido altera as propriedades.

O novo fluido supercrítico possui propriedades tanto de um líquido quanto de um gás.

Um fluido supercrítico que é frequentemente usado é o dióxido de carbono. É uma boa substância transformar-se em um fluido supercrítico porque sua temperatura crítica é de 31,8°C e sua pressão crítica é cerca de 55.480 mm Hg.

Uma vez que é um fluido supercrítico, as propriedades do dióxido de carbono podem ser alteradas com alterações de temperatura e pressão.

Por exemplo, manipular a pressão pode alterar quais substâncias se dissolverão no fluido. Como o dióxido de carbono é uma molécula não polar, podem ser adicionados modificadores para aumentar sua capacidade de dissolver moléculas polares.

Alguns fluidos supercríticos podem ser usados para extrair uma quantidade maior de uma substância desejada em um período mais curto de tempo.

Essas e outras propriedades permitem que elas sejam usadas em uma vasta gama de indústrias. A indústria alimentícia e farmacêutica, por exemplo, pode usar o fluido para extrair certos compostos dos alimentos.

Usando um fluido supercrítico, como dióxido de carbono, um cientista pode extrair ácidos graxos, óleos e antioxidantes sem deixar resíduos químicos no extrato.

O dióxido de carbono supercrítico também tem uma temperatura relativamente baixa, portanto pode ser usado nos casos em que um produto químico não pode ser exposto a altas temperaturas.

O que significa “supercrítico”?

Qualquer substância é caracterizada por um ponto crítico obtido em condições específicas de pressão e temperatura.

Quando um composto é submetido a uma pressão e a uma temperatura mais alta que seu ponto crítico, o fluido é considerado “supercrítico“.

Na região supercrítica, o fluido exibe propriedades particulares e possui um comportamento intermediário entre o de um líquido e um gás. Em particular, os fluidos supercrônicos (SCFs) possuem densidades do tipo líquido, viscosidades e difusões do tipo gás intermediárias à de um líquido e um gás.

O fluido é dito “supercrítico” quando é aquecido, obtém sua temperatura crítica e comprimido, sua pressão circular.

Esse comportamento específico das substâncias foi observado pela primeira vez em 1822 pelo engenheiro e físico francês Charles Cagniard de La Tour em seu famoso experimento de canhão.

Foi então definido como fluido supercrítico pelo químico irlandês Thomas Andrews.

Os fluidos supercríticos mais amplamente utilizados são CO2 e água.

Propriedades dos fluidos supercríticos

Um fluido supercrítico é qualquer substância a uma temperatura e pressão acima do seu ponto crítico, onde não existem fases distintas de líquido e gás. Isso pode ser racionalizado pensando que, a temperaturas suficientemente altas (acima da temperatura crítica), a energia cinética das moléculas é alta o suficiente para superar quaisquer forças intermoleculares que condensariam a amostra na fase líquida.

Por outro lado, pressões suficientemente altas (acima da pressão crítica) não permitiriam que uma amostra permanecesse no estado gasoso puro. Portanto, é alcançado um equilíbrio entre essas duas tendências e a substância existe em um estado entre um gás e um líquido.

O que é um gás supercrítico?

O gás supercrítico, mais conhecido como fluido supercrítico, é um estado distinto da matéria que possui propriedades tanto de um líquido quanto de um gás.

Um gás supercrítico pode ser considerado um estado intermediário entre líquidos e gases. Gases supercríticos são criados apenas acima do ponto crítico termodinâmico de um material.

Isso geralmente significa altas pressões, geralmente entre 40 e 80 atmosferas, embora varie bastante. Alguns pontos críticos, principalmente a água, chegam a 218 atmosferas e além.

Fluidos supercríticos têm baixa viscosidade e alta difusividade.

Gases supercríticos podem se difundir para dentro e através de sólidos como um gás, mas também dissolvem certos materiais como um líquido.

Fluidos supercríticos são encontrados em pelo menos duas áreas da natureza.

O primeiro é em torno de fontes hidrotermais e vulcões submarinos no fundo do oceano, onde a pressão é tão grande que a criação de um gás supercrítico é possível. A pressão de 3 km debaixo d’água é de 300 atmosferas, mais do que suficiente.

Outro gás supercrítico natural é a atmosfera mais baixa de Vênus, que é muito densa e quente (93 atmosferas, 462 °C) na superfície.

Curiosamente, isso significa que apenas dois estados da matéria podem ser encontrados na superfície: gás sólido e supercrítico. Líquidos e gases convencionais não existem lá.

Os fluidos supercríticos têm pelo menos uma dúzia de aplicações industriais. Uma é a extração supercrítica de fluidos, onde fluidos supercríticos são usados para extrair algum material de uma matriz circundante.

Isso é usado para extrair cafeína dos grãos de café. O dióxido de carbono supercrítico suga a cafeína diretamente deles. Da mesma forma, fluidos supercríticos são usados na secagem supercrítica, que extrai um líquido de uma matriz. Isso é usado na preparação de amostras biológicas para microscopia eletrônica, bem como na síntese de aerogel, um material que possui 12 recordes mundiais do Guinness por propriedades como leveza e isolamento.

A oxidação supercrítica da água é usada para oxidar resíduos perigosos, tornando-os seguros para o descarte. O processo também é usado para sintetizar micro e nanopartículas para várias aplicações farmacêuticas.

O reverso da extração de fluido supercrítico é chamado impregnação, pelo qual um material é introduzido em uma matriz em vez de removido. A lista continua. Como você pode ver, as aplicações de fluidos supercríticos são numerosas.

O que é extração supercrítica?

A extração supercrítica é um método de separação para soluções que envolvem o uso de fluidos supercríticos.

Esses fluidos são levados a um estado de calor e pressão tão altos que agem como um gás e um líquido e não sofrem mais alterações de fase. O dióxido de carbono é um material popular para esse processo, embora outros compostos também possam ser usados. Existem algumas vantagens na extração supercrítica que a tornam útil para uma variedade de aplicações, embora também possa ser cara de executar, o que é uma limitação.

Neste procedimento, os técnicos levam o dióxido de carbono ou outros materiais a um ponto supercrítico e permitem que ele flua para uma câmara de extração. Isso atua como um solvente para separar os constituintes de uma mistura.

Por exemplo, uma empresa poderia usar a extração supercrítica para extrair cafeína do café com alterações mínimas no próprio café para tratar de preocupações sobre sabor e integridade.

Uma vantagem dessa técnica é que ela é ecológica. Os solventes não são perigosos e, no caso de dióxido de carbono e muitos outros compostos, alterar a temperatura permite que o solvente se dissipe em uma armadilha para que não contamine o produto final. A captura permite que as empresas reutilizem o material repetidamente, o que reduz a demanda por solventes e evita sua liberação no ambiente.

Esse método também é muito mais rápido que outros métodos usados para extração. A extração supercrítica pode levar menos de uma hora, em contraste com horas ou, às vezes, dias exigidos por outros métodos.

Isso pode compensar o aumento da despesa associada à configuração de um sistema capaz de extração supercrítica.

O equipamento precisa ser capaz de atingir e reter alto calor e pressão durante todo o processo para garantir estabilidade e consistência, e isso pode ser dispendioso de implementar.

É possível ajustar os produtos finais variando a pressão. Isso permite que as empresas controlem o que extraem usando esse método; no processamento de óleo essencial, por exemplo, os técnicos podem levantar alguns lipídios e não outros.

O alto controle disponível com extração supercrítica pode torná-lo útil para atividades como o processamento de amostras científicas ou a produção de produtos de altíssima pureza.

A produção industrial é uma aplicação para extração supercrítica. Também pode ser usado para preparar e testar amostras em ambientes de laboratório, como instalações forenses e de pesquisa.

O equipamento para essas aplicações pode ser menor, pois os técnicos não precisam processar grandes volumes de material.

Fonte: www.supercriticalfluid.org/chem.libretexts.org/courses.lumenlearning.com/https://ift.tt/2ZBykYW

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