Стабильные, хорошо сформированные микроструктуры
Команда Empa во главе с Шаньюем Чжао, Жилберто Сикейрой, Вимом Мальфаитом и Маттиасом Кобелем теперь преуспела в создании стабильных микроструктур правильной формы из аэрогеля кремнезема с помощью 3D-принтера. Печатные структуры могут быть толщиной до десятых долей миллиметра. Теплопроводность кремнеземного аэрогеля составляет чуть менее 16 мВт / (м * К), что вдвое меньше, чем у полистирола, и даже значительно меньше, чем у неподвижного слоя воздуха, 26 мВт / (м * К).
В то же время новый печатный аэрогель из диоксида кремния обладает еще лучшими механическими свойствами и его можно даже сверлить и фрезеровать. Это открывает совершенно новые возможности для постобработки 3D-печатных форм из аэрогеля.
С помощью метода, на который сейчас подана заявка на патент, можно точно регулировать свойства текучести и затвердевания кремнеземных чернил, из которых впоследствии получают аэрогель, так что как самонесущие конструкции, так и тонкие мембраны могут быть напечатанным. В качестве примера нависающих структур исследователи напечатали листья и соцветия цветка лотоса.
Тест-объект плавает на поверхности воды из-за гидрофобных свойств и низкой плотности кремнеземного аэрогеля – как и его естественная модель. Новая технология также позволяет впервые печатать сложные трехмерные микроструктуры из нескольких материалов.
Изоляционные материалы для микротехники и медицины
С такими структурами теперь сравнительно легко изолировать даже самые маленькие электронные компоненты друг от друга. Исследователи смогли впечатляюще продемонстрировать тепловую защиту чувствительного к температуре компонента и тепловое управление локальной «горячей точкой».
Другое возможное применение – экранирование источников тепла внутри медицинских имплантатов, температура поверхности которых не должна превышать 37 градусов, чтобы защитить ткани тела.
Функциональная мембрана из аэрогеля
3D-печать позволяет создавать комбинации многослойных / многоматериалов гораздо более надежно и воспроизводимо. Новые тонкие структуры аэрогеля становятся возможными и открывают новые технические решения, как показывает второй пример применения: используя напечатанную аэрогелевую мембрану, исследователи сконструировали «термосмолекулярный» газовый насос.
Этот проникающий насос работает без каких-либо движущихся частей и также известен техническому сообществу как насос Кнудсена, названный в честь датского физика Мартина Кнудсена. Принцип действия основан на ограниченном переносе газа в сети наноразмерных пор или одномерных каналов, стенки которых горячие с одного конца и холодные с другого. Команда построила такой насос из аэрогеля, который с одной стороны был легирован наночастицами оксида марганца черного цвета.
Когда этот насос находится под источником света, он нагревается на темной стороне и начинает перекачивать газы или пары растворителя.
Очистка воздуха без движущихся частей
Эти приложения впечатляюще демонстрируют возможности 3D-печати: 3D-печать превращает высокоэффективный аэрогель в строительный материал для функциональных мембран, который можно быстро модифицировать для соответствия широкому спектру приложений. Насос Кнудсена, который приводится в действие исключительно солнечным светом, может делать больше, чем просто перекачивать: если воздух загрязнен загрязняющим веществом или токсином окружающей среды, таким как растворитель толуол, воздух может циркулировать через мембрану несколько раз, и загрязняющее вещество химически изменено. разрушается в результате реакции, катализируемой наночастицами оксида марганца. Такие автокаталитические решения на солнечной энергии особенно привлекательны в области анализа и очистки воздуха в очень малых масштабах из-за их простоты и долговечности.
Исследователи Empa теперь ищут промышленных партнеров, которые хотят интегрировать структуры аэрогеля, напечатанные на 3D-принтере, в новые высокотехнологичные приложения.
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = Yl8yz28xQbw & feature = emb_logo