Les aérogels : des solides presque faits d'air
Un bloc bleuté que l'on croirait fait de fumée, plus isolant que l'air immobile, capable de capturer intactes des poussières de comète. Histoire d'un matériau né d'un pari en 1931.
Posé sur la paume, un aérogel ne pèse presque rien. Il est translucide, d'un bleu laiteux, et ses contours semblent flous, comme une photographie ratée. Pourtant c'est bien un solide, rigide au toucher. Sa particularité tient en un chiffre : un aérogel de silice est fait d'environ 99,8 % d'air. Le reste est un squelette de silice, la matière du verre, organisé en un réseau de chaînes et de pores de quelques dizaines de nanomètres.
Un pari sur un bocal de gelée
L'histoire commence au début des années 1930, en Californie. Selon une anecdote souvent racontée, le chimiste américain Samuel Kistler aurait parié avec un collègue, Charles Learned, qu'il était possible de remplacer le liquide contenu dans une gelée par un gaz sans que celle-ci se rétracte. Le problème est connu de tous ceux qui ont vu sécher une éponge ou une boue : quand un liquide s'évapore d'un réseau très fin, les forces de tension superficielle tirent sur les parois et effondrent la structure.
Kistler contourne l'obstacle par le séchage supercritique. Il chauffe et met sous pression le gel jusqu'à ce que le liquide qu'il contient dépasse son point critique, un état où il n'y a plus de différence entre liquide et gaz, donc plus de surface entre les deux, donc plus de tension superficielle. Il suffit alors de relâcher doucement la pression : le fluide s'échappe et le squelette reste intact. Il publie ses résultats dans la revue Nature le 16 mai 1931. Des aérogels de silice sont ensuite commercialisés à partir des années 1940 comme additifs pour peintures et vernis, avant que la production ne s'arrête vers 1970. Le matériau renaît dans les années 1980, grâce à des procédés de fabrication plus sûrs mis au point notamment en France.
Des records de légèreté
L'air ambiant a une masse volumique d'environ 1,2 milligramme par centimètre cube. Les aérogels de silice les plus légers descendent sous 2 mg/cm³, soit à peine plus que l'air. Le record de solide le moins dense est détenu depuis 2013, selon le Guinness des records, par un aérogel de graphène mis au point à l'université du Zhejiang, en Chine : 0,16 mg/cm³, sept fois moins que l'air. Comme ses pores sont remplis d'air, il ne s'envole pas pour autant.
Attraper une comète sans l'abîmer
L'aérogel a trouvé dans l'espace un usage spectaculaire. La sonde Stardust de la NASA, lancée en février 1999, a croisé le 2 janvier 2004 la comète Wild 2 à environ 250 km de son noyau. La vitesse relative entre la sonde et les poussières était d'environ 6,1 km/s, six fois celle d'une balle de fusil. Un capteur métallique ou un gel ordinaire aurait vaporisé ces grains.
Le collecteur de Stardust, en forme de grosse raquette de tennis, portait sur chaque face plus de 1 000 cm² d'aérogel répartis en blocs. Côté comète, les blocs faisaient 3 cm d'épaisseur, avec une densité croissante : très légère à l'entrée, plus dense en profondeur. Chaque grain freinait progressivement en creusant une trace en forme de carotte, jusqu'à 200 fois sa propre taille, et s'arrêtait au bout, souvent intact. La capsule est revenue dans le désert de l'Utah le 15 janvier 2006 avec plus de 10 000 particules de plus d'un micromètre. Leur analyse a révélé des composés organiques variés et, de manière inattendue, des minéraux formés à très haute température près du jeune Soleil. En 2014, les chercheurs ont aussi identifié sept grains de poussière interstellaire.
Et sur Terre ?
Les pores d'un aérogel sont plus petits que la distance moyenne parcourue par une molécule d'air entre deux chocs. L'air y transporte donc très mal la chaleur : un aérogel isole mieux que l'air immobile lui-même. La NASA s'en est servie pour isoler l'électronique du petit robot martien Sojourner en 1997. Sur Terre, il est surtout utilisé sous forme de matelas ou de panneaux composites, car l'aérogel pur est fragile. Des panneaux testés en 2016 affichaient une conductivité thermique de 0,015 à 0,018 W/(m·K), environ deux fois moins que les isolants courants : à performance égale, l'épaisseur est divisée par deux environ. C'est précieux pour isoler par l'intérieur des bâtiments anciens sans perdre trop de surface habitable, mais aussi pour les canalisations industrielles et, de plus en plus, pour freiner la propagation de la chaleur entre les cellules des batteries.
Le principal frein reste le prix et la fragilité. Les recherches visent des aérogels plus robustes, en polymère ou en céramique, capables de résister à de violents chocs thermiques. C'est l'objet d'un prix envisagé par Anthropolaris : un isolant céramique très léger qui survive à mille cycles entre −200 °C et +1 000 °C, pour protéger les réservoirs et instruments des sondes (voir la marche C-MAT-14). Un siècle après le pari de Kistler, le défi n'est plus de fabriquer de l'air solide, mais de le rendre solide pour de bon.