Aerogel är en utmärkt värmeisolator. Än så länge, dock, den har huvudsakligen använts i stor skala, till exempel inom miljöteknik, i fysikaliska experiment eller i industriell katalys. Empa-forskare har nu lyckats göra aerogeler tillgängliga för mikroelektronik och precisionsteknik:En artikel i senaste numret av den vetenskapliga tidskriften Natur visar hur 3-D-printade delar gjorda av kiseldioxidaerogeler och kiseldioxidkompositmaterial kan tillverkas med hög precision. Detta öppnar upp för många nya tillämpningsmöjligheter inom den högteknologiska industrin, till exempel inom mikroelektronik, robotik, bioteknik och sensorteknik.

Bakom den enkla rubriken "Additive manufacturing of silica aerogels"—artikeln publicerades den 20 juli i den berömda vetenskapliga tidskriften Natur —en banbrytande utveckling döljs. Kiselaerogeler är lätta, porösa skum som ger utmärkt värmeisolering. I praktiken, de är också kända för sitt spröda beteende, vilket är anledningen till att de vanligtvis är förstärkta med fibrer eller med organiska eller biopolymerer för storskaliga applikationer. På grund av deras spröda frakturbeteende, det går inte heller att såga eller fräsa små bitar ur ett större aerogelblock. Att direkt stelna gelén i miniatyriserade formar är inte heller tillförlitligt - vilket resulterar i höga skrothastigheter. Det är därför aerogeler knappast har varit användbara för småskaliga applikationer.

Stabil, välformade mikrostrukturer

Empa-teamet ledd av Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait och Matthias Koebel har nu lyckats producera stabila, välformade mikrostrukturer från silica aerogel genom att använda en 3-D-skrivare. De tryckta strukturerna kan vara så tunna som en tiondels millimeter. Den termiska ledningsförmågan hos kiseldioxidaerogelen är strax under 16 mW/(m*K) - bara hälften av polystyren och till och med betydligt mindre än för ett icke-rörligt luftskikt, 26 mW/(m*K). På samma gång, den nya tryckta kiselgelen har ännu bättre mekaniska egenskaper och kan till och med borras och fräsas. Detta öppnar helt nya möjligheter för efterbearbetning av 3-D-printade aerogellister.

Med metoden, för vilken en patentansökan nu har lämnats in, det är möjligt att exakt justera flödes- och stelningsegenskaperna hos kiseldioxidbläcket från vilket aerogelen senare framställs, så att både självbärande strukturer och wafer-tunna membran kan tryckas. Som ett exempel på överhängande strukturer, forskarna tryckte blad och blommor av en lotusblomma. Testobjektet flyter på vattenytan på grund av de hydrofoba egenskaperna och låga densiteten hos kiseldioxidaerogelen - precis som dess naturliga modell. Den nya tekniken gör det också för första gången möjligt att skriva ut komplexa 3-D multi-material mikrostrukturer.

Isoleringsmaterial för mikroteknik och medicin

Med sådana strukturer är det nu jämförelsevis trivialt att termiskt isolera även de minsta elektroniska komponenterna från varandra. Forskarna kunde på ett imponerande sätt demonstrera den termiska avskärmningen av en temperaturkänslig komponent och den termiska hanteringen av en lokal "hot spot". En annan möjlig tillämpning är avskärmning av värmekällor inuti medicinska implantat, som inte bör överstiga en yttemperatur på 37 grader för att skydda kroppsvävnaden.

Ett funktionellt aerogelmembran

3D-utskrift gör att kombinationer av flera lager och flera material kan produceras mycket mer tillförlitligt och reproducerbart. Nya aerogel-finstrukturer blir genomförbara och öppnar upp för nya tekniska lösningar, som ett andra applikationsexempel visar:Använda ett tryckt aerogelmembran, forskarna konstruerade en "termomolekylär" gaspump. Denna genomträngningspump klarar sig utan några rörliga delar alls och är även känd för det tekniska samhället som en Knudsen-pump, uppkallad efter den danske fysikern Martin Knudsen. Funktionsprincipen bygger på den begränsade gastransporten i ett nätverk av nanoskaliga porer eller endimensionella kanaler där väggarna är varma i ena änden och kalla i den andra. Teamet byggde en sådan pump från aerogel, som var dopad på ena sidan med nanopartiklar av svart manganoxid. När denna pump placeras under en ljuskälla, det blir varmt på den mörka sidan och börjar pumpa gaser eller lösningsmedelsångor.

Luftrening utan rörliga delar

Dessa applikationer visar möjligheterna med 3-D-utskrift på ett imponerande sätt:3-D-utskrift förvandlar det högpresterande materialet aerogel till ett konstruktionsmaterial för funktionella membran som snabbt kan modifieras för att passa ett brett spektrum av applikationer. Knudsen pumpen, som enbart drivs av solljus, kan göra mer än bara pumpa:Om luften är förorenad med en förorening eller ett miljögift som lösningsmedlet toluen, luften kan cirkulera genom membranet flera gånger och föroreningen bryts kemiskt ned genom en reaktion som katalyseras av nanopartiklarna av manganoxid. Sådan soldriven, autokatalytiska lösningar är särskilt tilltalande inom området för luftanalys och rening i mycket liten skala på grund av deras enkelhet och hållbarhet.

Empa-forskarna letar nu efter industriella partners som vill integrera 3-D-printade aerogelstrukturer i nya högteknologiska applikationer.