Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les aérogels sont des matériaux très poreux obtenus par procédé sol-gel et séchage hypercritique. De par leur mode de synthèse et leur micro structure poreuses ils présentent des caractéristiques physiques uniques qui leur confèrent des potentialités intéressantes dans des domaines très variés : l’isolation thermique, l’électrochimie, la catalyse, l’acoustique, le confinement des déchets nucléaires, l’astrophysique mais aussi les biosciences. Après avoir décrit certaines propriétés physiques particulières des aérogels nous présentons les grandes classes d’aérogels étudiés dans la littérature (aérogels de silice, aérogels d’oxydes, aérogels organique, aérogels composites ,..) et des applications très différentes de ces matériaux.
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Aerogels are highly porous materials obtained from the sol-gel process and supercritical drying. By virtue of their synthesis process and porous microstructure, aerogels exhibit unique physical properties allowing interesting applications in technological domains such as thermal insulation, electrochemistry, catalysis, aerospace, acoustics, nuclear waste containment, and also biosciences. We describe some of the unusual physical properties of aerogels, and present the different classes of aerogels described in the literature (silica aerogels, oxide aerogels organic aerogels, composites aerogels, etc.) and their different applications.
Auteur(s)
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Jean PHALIPPOU : Professeur à l’École polytechnique universitaire de Montpellier Laboratoire des verres-UMR 5587 – Montpellier
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Laurent KOCON : Ingénieur de l’École nationale supérieure de physique de Grenoble - Ingénieur au Commissariat à l’énergie atomique (CEA)
INTRODUCTION
La diffusion de la lumière par les poussières contenues dans l’atmosphère permet de visualiser le trajet d’un rayon lumineux, que l’on ne peut cependant pas matérialiser. Par contre, si un faisceau lumineux traverse un aérogel très transparent, son trajet est parfaitement délimité et observé d’une manière analogue à celle qui vient d’être décrite, mais les centres de diffusion sont maintenant situés dans un objet matériel très léger.
Une image souvent utilisée consiste à décrire l’aérogel comme une fumée figée. Il faut dire que la fraction volumique de matière contenue dans l’aérogel ayant la plus faible densité est inférieure à 0,14 %. Cela signifie que l’air occupe 99,8 % du volume de l’aérogel. Le plus léger d’entre eux a une masse volumique environ trois fois plus élevée que celle de l’air. De ce fait, ce solide présente des propriétés singulières qui sont exposées dans cet article. Signalons que sa texture peut être modifiée à l’aide de traitements chimiques, thermiques ou même mécaniques.
Il va de soi que, pour obtenir des matériaux aussi légers mais rigides, il faut synthétiser un réseau solide hautement réticulé avec un minimum de matière. De ce point de vue, les gels organiques et minéraux sont les meilleurs candidats. Le réseau solide est formé de liens fins interconnectés entre lesquels le solvant est localisé. Si le solvant s’évapore, le solide restant occupe alors un volume incomparablement plus faible que le gel de départ. Ces gels perdent au moins 90 % de leur volume lors de cette étape de séchage. Le séchage a induit un affaissement irréversible du réseau de matière.
Un aérogel, lui, est un gel qui a été séché d’une manière très particulière qui permet de conserver la délicate structure du solide telle qu’elle était établie dans le gel de départ. Le séchage est réalisé à l’aide d’un autoclave. Une élévation de température et de pression permet de dépasser le point critique du liquide. Pour cette raison, ce mode de séchage est appelé supercritique. En résumé, l’aérogel est issu d’un mode singulier de synthèse de solide ; c’est aussi le produit d’un mode inusuel de séchage.
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KEYWORDS
aerogels | supercritical dying | mesoporous materials | gels synthesis
VERSIONS
- Version courante de juil. 2017 par Thierry WOIGNIER
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Rappel sur la formation des gels7. Structure des aérogels
La structure des aérogels de silice a été étudiée par diverses techniques qui donnent des informations à des échelles différentes.
7.1 Spectroscopies
Les spectroscopies classiques infrarouge et Raman renseignent sur la nature des entités atomiques constitutives du gel.
-
Le spectre infrarouge d’un aérogel est extrêmement simple à réaliser. Étant donné la faible quantité de matière, un échantillon d’épaisseur inférieure au millimètre permet de réaliser des expériences en transmission.
Les spectres IR obtenus sont identiques à ceux de la silice vitreuse en ce qui concerne les vibrations
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. Des entités chimiques
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et
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(où R = CH3, C2H5...) sont présentes à la surface du gel.La vibration des groupes
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est située à 3 740 cm−1 pour les silanols libres. Entre 3 600 et 3 660 cm−1, on remarque une bande d’absorption qui est la superposition des vibrations associées à des silanols internes et celle des silanols de surface liés par liaison hydrogène à l’eau ou à l’alcool résiduel. Entre 3 500 et 3 400 cm−1 apparaît un important massif mal défini correspondant aux vibrations OH de l’eau adsorbée en surface. Les groupes
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dont les bandes d’absorption sont situées à 2 980 et 2 840 cm−1 proviennent, dans le cas du séchage supercritique à l’alcool, de la réaction d’estérification. Cependant, le spectre IR d’un aérogel obtenu en séchage supercritique au CO2 et qui donc présente...
. Des entités chimiques
et
(où R = CH3, C2H5...) sont présentes à la surface du gel.
est située à 3 740 cm−1 pour les silanols libres. Entre 3 600 et 3 660 cm−1, on remarque une bande d’absorption qui est la superposition des vibrations associées à des silanols internes et celle des silanols de surface liés par liaison hydrogène à l’eau ou à l’alcool résiduel. Entre 3 500 et 3 400 cm−1 apparaît un important massif mal défini correspondant aux vibrations OH de l’eau adsorbée en surface. Les groupes
dont les bandes d’absorption sont situées à 2 980 et 2 840 cm−1 proviennent, dans le cas du séchage supercritique à l’alcool, de la réaction d’estérification. Cependant, le spectre IR d’un aérogel obtenu en séchage supercritique au CO2 et qui donc présente...
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Structure des aérogels
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FLORY (P.J.) - Gels and gelling processes - . Disc. Faraday Soc., 57, p. 7-18 (1974).
-
(2) - KISTLER (S.S.) - Coherent expanded aerogels and jellies - . Nature, 127, p. 741 (1931).
-
(3) - WOIGNIER (T.) - * - Thèse de l’université des Sciences et Techniques du Languedoc, Montpellier, France (1984).
-
(4) - FLORY (P.J.) - Principles of polymer chemistry (Les principes de la chimie des polymères) - . 1953 Cornell University Press, Ihaca, New York (1953).
-
(5) - STOCKMAYER (W.H.) - Theory of molecular size distribution and gel formation in branched-chain polymers - . J. Chem. Phys., 11, p. 45 (1943).
-
(6) - STOCKMAYER (W.H.) - Theory of molecular size distribution and gel formation in branched-chain polymers. II. General cross linking - . J. Chem. Phys., 12, p. 125-31 (1944).
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