Aerogel, il "fumo solido": il materiale quasi tutto aria

L'aerogel e uno dei materiali solidi piu leggeri al mondo, tanto da meritarsi il soprannome di "fumo solido" o "fumo congelato": una versione di aerogel di silice puo essere composta fino al 99,8% di aria, eppure resta un solido che si puo prendere in mano. Questa curiosita della scienza dei materiali nasce nel 1931 e oggi vola letteralmente nello spazio, dove ha catturato la polvere di una cometa e protegge i rover su Marte dal gelo notturno.

Una scommessa da laboratorio nel 1931

L'aerogel fu inventato nel 1931 dallo scienziato americano Samuel Stephens Kistler, a quanto si racconta in seguito a una scommessa con il collega Charles Learned: chi sarebbe riuscito a sostituire il liquido contenuto in un gel con un gas, senza far collassare la struttura solida? La risposta di Kistler fu geniale. Invece di lasciare evaporare il liquido (cosa che, per via della tensione superficiale, avrebbe fatto restringere e crepare il gel), porto il liquido oltre il suo punto critico, lo stato in cui la distinzione tra liquido e gas svanisce. Con questa essiccazione supercritica il liquido poteva uscire "in punta di piedi", lasciando intatta l'impalcatura solida.

Kistler pubblico i suoi risultati sulla rivista Nature nel 1931, in un articolo intitolato "Coherent Expanded Aerogels and Jellies". Era nato il primo aerogel della storia, ottenuto a partire dalla silice, lo stesso materiale del vetro e della sabbia.

Com'e fatto dentro: una struttura nanoporosa

Il segreto dell'aerogel sta nella sua struttura nanoporosa. Immaginate uno scheletro tridimensionale fatto di catene di minuscole particelle di silice, larghe pochi nanometri, unite tra loro in una rete spugnosa piena di pori altrettanto piccoli. Questi pori sono cosi minuscoli da "intrappolare" l'aria e impedirle di muoversi liberamente: il risultato e un solido fatto quasi soltanto di vuoto.

Da questa architettura derivano le due proprieta piu spettacolari del materiale:

• Densita bassissima. L'aria che circonda costituisce la quasi totalita del volume, quindi un blocco di aerogel pesa pochissimo a parita di dimensioni.
• Isolamento termico estremo. Poiche l'aria intrappolata non puo circolare e la rete solida e sottilissima, il calore fatica enormemente ad attraversare il materiale. L'aerogel e tra i migliori isolanti termici solidi conosciuti.

Il record Guinness del solido piu leggero

Quanto puo essere leggero un aerogel? Nel 2002 il Guinness World Records certifico come "solido con la densita piu bassa" un aerogel di silice creato dal dottor Steven Jones del Jet Propulsion Laboratory della NASA, con una densita di appena 3 milligrammi per centimetro cubo. Per dare un'idea: l'aerogel e fatto dello stesso silicio del vetro, ma e circa mille volte meno denso, proprio perche e composto al 99,8% di aria.

Negli anni successivi il primato e passato di mano piu volte verso materiali ancora piu estremi: nuovi aerogel a base di carbonio, come l'aerografene messo a punto nel 2013 da un gruppo dell'Universita di Zhejiang in Cina, hanno raggiunto densita ancora piu basse, dimostrando quanto velocemente avanzi questo settore della scienza dei materiali.

L'aerogel e fatto dello stesso materiale del vetro, eppure e cosi leggero che a guardarlo sembra un pezzo di cielo solidificato.

Cacciatore di polvere di cometa

L'impiego piu celebre dell'aerogel arriva dallo spazio. La missione Stardust della NASA, lanciata il 7 febbraio 1999, aveva un obiettivo audace: raccogliere granelli di polvere direttamente dalla coda di una cometa e riportarli sulla Terra. Il problema era che quelle particelle viaggiavano a velocita altissime: catturarle con qualsiasi materiale normale avrebbe significato vaporizzarle all'impatto.

La soluzione fu un collettore riempito di aerogel a bassissima densita. Quando, nel 2004, la sonda sorvolo la cometa 81P/Wild 2, i granelli che impattavano nell'aerogel rallentavano dolcemente, scavando una traccia a forma di carota lunga anche fino a 200 volte le loro dimensioni, senza bruciare o alterarsi chimicamente.

La capsula con i campioni rientro nel deserto dello Utah il 15 gennaio 2006: era la prima volta che materiale extraterrestre proveniente da oltre l'orbita Terra-Luna veniva riportato a casa. Grazie a quei granelli, un consorzio internazionale di scienziati ha potuto studiare i mattoni primordiali del Sistema Solare.

Dai rover marziani all'edilizia di casa nostra

Le doti isolanti dell'aerogel lo hanno reso prezioso anche per proteggere l'elettronica dal gelo marziano. La NASA lo ha usato per isolare la scatola dei componenti elettronici del piccolo rover Sojourner, sbarcato su Marte nel 1997 con la missione Mars Pathfinder, e successivamente dei rover gemelli Spirit e Opportunity (2003). Sul Pianeta Rosso, dove le notti possono scendere ben sotto i meno cento gradi, un sottile strato di aerogel permette di tenere al caldo i circuiti riducendo allo stesso tempo il peso: secondo il JPL l'aerogel contribui ad alleggerire il sistema di parecchi chilogrammi rispetto a isolanti tradizionali.

Gli usi non si fermano allo spazio. Gli scienziati hanno studiato l'aerogel persino come possibile materiale da costruzione per future serre marziane, capace di lasciar passare la luce trattenendo il calore. E sulla Terra l'aerogel sta gia entrando nella vita quotidiana: viene usato come isolante ultrasottile in edilizia (pannelli e intonaci ad alte prestazioni), nell'abbigliamento tecnico per realizzare tute e giacche calde ma leggerissime, e in numerose applicazioni industriali dove serve isolare senza aggiungere peso o spessore.

Materiale quasi immateriale, l'aerogel e l'esempio perfetto di come una scoperta nata quasi per gioco quasi un secolo fa possa trasformarsi in tecnologia di frontiera. Tra record Guinness, polvere di comete e gelo marziano, il "fumo solido" continua a ricordarci che, in fondo, anche il vuoto puo diventare un capolavoro di ingegneria. Per approfondire, l'enciclopedia dedicata a Samuel Kistler e le pagine della missione Stardust della NASA offrono un ottimo punto di partenza.