Aérogels - Aspects fondamentaux

Depuis la première conférence internationale qui s’est tenue à Padoue en 1981, il est bien établi que les procédés sol-gel peuvent être une nouvelle voie de synthèse de matériaux aussi différents que des verres, des céramiques ou des composites, permettant la synthèse de matériaux sous forme de films, de fibres ou de produits massifs.

Qu’est-ce exactement que le procédé sol-gel et pourquoi est-il si attractif pour les scientifiques spécialistes des matériaux ? Une définition précise de la méthode sol-gel est difficile car elle s’apparente à une grande variété de techniques de synthèse et de procédés pour lesquels l’une des étapes utilise le matériau sous forme d’un gel. Afin de contourner cette difficulté, il est plus judicieux d’expliciter ce qui correspondra à un gel dans la suite de cet article : un gel sera un milieu biphasique constitué par un solide et un fluide obtenu par un processus d’agrégation progressif et isotrope à partir d’une solution.

La première raison de l’intérêt porté par la communauté scientifique pour les gels fut d’ordre technologique, il s’agissait de synthétiser des matériaux à haute valeur ajoutée. Dans ce but les principaux avantages du procédé sol-gel sont :

• la grande pureté des composés précurseurs qui peut être préservée au cours du procédé ;

• pour les systèmes chimiques à plusieurs composants, l’homogénéité des différentes espèces peut être obtenue par réaction chimique dans la solution mère ;

• il serait possible de contrôler la morphologie du produit final (film, fibre, matériau massif) par un ajustement de la viscosité ;

• dans le cas des poudres céramiques, on aurait une amélioration de la réactivité au frittage grâce à leur grande surface spécifique.

La seconde raison est plutôt à mettre à l’actif des physiciens des matériaux et non des ingénieurs. Elle est dictée par l’intérêt de ces milieux en tant que modèles. Notamment, les gels ont été utilisés pour tester les modèles théoriques d’agrégation et les structures obtenus par simulation numérique ou l’analogie « gélification-percolation ». Il a été envisagé que les gels et les aérogels pouvaient développer un réseau de phase solide ayant une structure fractale dans un certain domaine d’échelle, cette structure étant liée au type de mécanisme de gélification mis en jeu. La possibilité de contrôler ces mécanismes permettrait d’ajuster les caractéristiques fractales des matériaux.

Mais qu’est-ce qu’un aerogel ? 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...