0091. Cosa è l’aerogel? Quali sono le sue applicazioni nella ricerca in fisica?

Ho recentemente visto su una rivista la foto di un cubo di aerogel. Si dice che abbia un grande potere isolante ed è solo 2 volte più denso dell'aria. Ma mi pare anche di ricordare che questo materiale, di cui so pochissimo, venga usato anche nella fisica di ricerca. È vero? Come e perché? (Sandrina) (Ricevuta via sms al 347-3194893)

Il materiale aerogel è composto essenzialmente di silicio come il vetro, ma con una struttura simile a quella di una spugna i cui spazi vuoti costituiscono il 99,9% del volume. Rispetto al vetro, l'aerogel è fino a settecento volte meno denso. Scoperto alla fine degli anni 60 , il materiale aerogel ha diverse applicazioni.

Viene usato come isolatore termico specialmente in aeronautica (a causa del suo leggerissimo peso), e per assorbire suoni. Nella ricerca in fisica, ha molteplici applicazioni. - Nella missione Stardust della Nasa un blocchetto di aerogel è stato usato per catturare campioni cometari e polveri interstellari. Stardust  ritornerà sulla Terra e verranno studiati i frammenti di materia rimasti intrappolati nell'aerogel al momento dell'incontro con la cometa.

Frammenti di materia di comete potrebbe aiutare a capire come si è formato il nostro sistema solare. - L’aerogel è usato in rivelatori di particelle chiamati RICH (acronimo di Ring Imaging CHerenkov), che possono identificare la massa delle particelle basandosi sulla radiazione Cherenkov che una particella carica produce passando attraverso la materia (l' "effetto Cherenkov" è anche spiegato nella risposta 66 ). La radiazione Cherenkov è l’emissione di fotoni che avviene quando la velocità della particella carica è più grande della velocità della luce in quel materiale. Il rapporto delle due velocità (quella della particella e quella della luce nel mezzo) determina l'angolo di emissione della radiazione Cherenkov rispetto alla direzione del moto della particella La luce Cherenkov è quindi emessa in un cono in avanti attorno alla direzione della traiettoria della particella carica .

Se il materiale è altamente trasparente, e l’aerogel lo è, si può raccogliere la luce Cherenkov emessa su un piano (direttamente o attraverso specchi) e l'intersezione del cono di luce con questo piano sarà un anello. L'angolo di emissione della luce, che determina il raggio di questo anello, dipende dalla massa e dalla velocità della particella in questione. Possiamo risalire alla massa della particella.

Conoscere la luminosità è necessario per poter misurare la probabilità di produrre gli stati finali che si vogliono studiare. In questo caso l'aerogel viene utilizzato come radiatore Cherenkov a soglia, cioè anziché rivelare l'anello, si contano (raccogliendo un segnale elettronico) quanti fotoni sono stati creati all'interno dell'aerogel dalle particelle cariche che lo hanno attraversato: più le particelle sono numerose, più il numero di fotoni prodotti, e quindi il segnale raccolto, sarà grande. Questo permette di stimare quante particelle sono passate nell'aerogel.

La misura precisa di questa, insieme a quelle di altre grandezze misurate con specifiche apparecchiature permette di risalire alla misura della luminosità. Per ciascuna di queste applicazioni, scientifiche o tecniche, la qualità dell'aerogel può essere molto diversa. Le applicazioni che lo usano come radiatore Cherenkov in fisica richiedono una eccellente trasparenza, ai fini di non assorbire i fotoni Cherenkov generati nell'aerogel.

L'aerogel viene prodotto in mattonelle di dimensioni tipicamente 10x10 cm e di spessori comunemente di 1 cm. Per applicazioni in fisica si producono mattonelle di 10x10 spesse fino a 5 cm. Si producono attualmente due tipi di aerogel: igroscopico (cioè assorbe vapor d’acqua), o idrofobico, cioè impermeabile al vapor d'acqua. Nel primo caso le mattonelle di aerogel vanno protette dall'aria, da cui assorbono l'umidità. In genere le si sigillano in un contenitore impermeabile all'aria oppure le si mantengono in ambiente secco, per esempio in atmosfera di azoto.

Clara Matteuzzi – Fisico