Aerogel:Fremtidens mikrostrukturmateriale

Aerogel er en fremragende termisk isolator. Indtil nu, imidlertid, det er hovedsageligt blevet brugt i stor skala, for eksempel inden for miljøteknologi, i fysiske eksperimenter eller i industriel katalyse. Empa-forskere er nu lykkedes med at gøre aerogel tilgængelige for mikroelektronik og finmekanik:En artikel i det seneste nummer af det videnskabelige tidsskrift Natur viser, hvordan 3-D-printede dele lavet af silica aerogel og silica kompositmaterialer kan fremstilles med høj præcision. Dette åbner op for adskillige nye anvendelsesmuligheder i den højteknologiske industri, for eksempel i mikroelektronik, robotteknologi, bioteknologi og sensorteknologi.

Bag den simple overskrift "Additive manufacturing of silica aerogels" - artiklen blev offentliggjort den 20. juli i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Natur — en banebrydende udvikling er skjult. Silica aerogel er lette, porøst skum, der giver fremragende varmeisolering. I praksis, de er også kendt for deres skrøbelige adfærd, Derfor er de normalt forstærket med fibre eller med organiske eller biopolymerer til anvendelse i stor skala. På grund af deres sprøde brudadfærd, det er heller ikke muligt at save eller fræse små stykker ud af en større aerogelblok. Direkte størkning af gelen i miniaturiserede forme er heller ikke pålideligt - hvilket resulterer i høje skrotmængder. Dette er grunden til, at aerogeler næppe har været anvendelige til små applikationer.

Stabil, velformede mikrostrukturer

Empa-teamet ledet af Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Det er nu lykkedes Wim Malfait og Matthias Koebel at producere stabile, velformede mikrostrukturer fra silica aerogel ved at bruge en 3-D printer. De trykte strukturer kan være så tynde som en tiendedel af en millimeter. Den termiske ledningsevne af silica-aerogelen er lige under 16 mW/(m*K) - kun halvdelen af ​​polystyren og endda betydeligt mindre end for et ikke-bevægelig luftlag, 26 mW/(m*K). På samme tid, den nye trykte silica aerogel har endnu bedre mekaniske egenskaber og kan endda bores og fræses. Dette åbner helt nye muligheder for efterbehandling af 3-D-printede aerogelstøbninger.

Med metoden, hvor der nu er indgivet patentansøgning, det er muligt præcist at justere flow- og størkningsegenskaberne for silicablæk, hvorfra aerogelen senere fremstilles, så både selvbærende strukturer og wafertynde membraner kan printes. Som et eksempel på overhængende strukturer, forskerne trykte blade og blomster af en lotusblomst. Testobjektet flyder på vandoverfladen på grund af silicaaerogelens hydrofobe egenskaber og lave tæthed - ligesom dens naturlige model. Den nye teknologi gør det også for første gang muligt at printe komplekse 3-D multi-materiale mikrostrukturer.

Isoleringsmaterialer til mikroteknologi og medicin

Med sådanne strukturer er det nu forholdsvis trivielt at termisk isolere selv de mindste elektroniske komponenter fra hinanden. Forskerne var i stand til at demonstrere den termiske afskærmning af en temperaturfølsom komponent og den termiske styring af et lokalt "hot spot" på en imponerende måde. En anden mulig anvendelse er afskærmning af varmekilder inde i medicinske implantater, som ikke bør overstige en overfladetemperatur på 37 grader for at beskytte kropsvæv.

En funktionel aerogel-membran

3-D-print gør det muligt at fremstille kombinationer af flere lag og flere materialer meget mere pålideligt og reproducerbart. Nye aerogel-finstrukturer bliver mulige og åbner op for nye tekniske løsninger, som et andet applikationseksempel viser:Brug af en trykt aerogel-membran, forskerne konstruerede en "termo-molekylær" gaspumpe. Denne permeationspumpe klarer sig uden bevægelige dele overhovedet og er også kendt af det tekniske samfund som en Knudsen pumpe, opkaldt efter den danske fysiker Martin Knudsen. Funktionsprincippet er baseret på den begrænsede gastransport i et netværk af nanoskala porer eller endimensionelle kanaler, hvor væggene er varme i den ene ende og kolde i den anden. Holdet byggede sådan en pumpe fra aerogel, som var dopet på den ene side med sorte manganoxid-nanopartikler. Når denne pumpe er placeret under en lyskilde, det bliver varmt på den mørke side og begynder at pumpe gasser eller opløsningsmiddeldampe.

Luftrensning uden bevægelige dele

Disse applikationer viser mulighederne for 3-D-print på en imponerende måde:3-D-print gør det højtydende materiale aerogel til et konstruktionsmateriale til funktionelle membraner, der hurtigt kan modificeres, så det passer til en bred vifte af applikationer. Knudsen pumpen, som udelukkende drives af sollys, kan mere end blot at pumpe:Hvis luften er forurenet med et forurenende stof eller et miljøgift som opløsningsmidlet toluen, luften kan cirkulere gennem membranen flere gange, og forureningen nedbrydes kemisk ved en reaktion katalyseret af manganoxid-nanopartiklerne. Sådan soldrevet, autokatalytiske løsninger er særligt attraktive inden for luftanalyse og rensning i meget lille skala på grund af deres enkelhed og holdbarhed.

Empa-forskerne leder nu efter industrielle partnere, der ønsker at integrere 3-D-printede aerogelstrukturer i nye højteknologiske applikationer.