Aerogel is een uitstekende thermische isolator. Tot dusver, echter, het is voornamelijk op grote schaal gebruikt, bijvoorbeeld in de milieutechnologie, in fysische experimenten of in industriële katalyse. Empa-onderzoekers zijn er nu in geslaagd om aerogels toegankelijk te maken voor micro-elektronica en precisie-engineering:een artikel in het laatste nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Natuur laat zien hoe 3D-geprinte onderdelen gemaakt van silica-aerogels en silica-composietmaterialen met hoge precisie kunnen worden vervaardigd. Dit opent tal van nieuwe toepassingsmogelijkheden in de hightechindustrie, bijvoorbeeld in de micro-elektronica, robotica, biotechnologie en sensortechnologie.

Achter de simpele kop "Additive manufacturing of silica aerogels"—het artikel werd op 20 juli gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Natuur — een baanbrekende ontwikkeling is verborgen. Silica aerogels zijn licht, poreuze schuimen die een uitstekende thermische isolatie bieden. In praktijk, ze staan ​​ook bekend om hun broze gedrag, daarom zijn ze meestal versterkt met vezels of met organische of biopolymeren voor grootschalige toepassingen. Door hun brosse breukgedrag, het is ook niet mogelijk om kleine stukjes uit een groter aerogelblok te zagen of te frezen. Het direct stollen van de gel in geminiaturiseerde mallen is ook niet betrouwbaar, wat resulteert in hoge uitvalpercentages. Daarom zijn aerogels nauwelijks bruikbaar geweest voor kleinschalige toepassingen.

Stal, goed gevormde microstructuren

Het Empa-team onder leiding van Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait en Matthias Koebel zijn er inmiddels in geslaagd om stabiele, goed gevormde microstructuren van silica-aerogel met behulp van een 3D-printer. De geprinte structuren kunnen zo dun zijn als een tiende van een millimeter. De thermische geleidbaarheid van de silica-aerogel is iets minder dan 16 mW/(m*K) - slechts de helft van die van polystyreen en zelfs aanzienlijk minder dan die van een niet-bewegende luchtlaag, 26 mW/(m*K). Tegelijkertijd, de nieuwe bedrukte silica-aerogel heeft nog betere mechanische eigenschappen en kan zelfs worden geboord en gefreesd. Dit opent geheel nieuwe mogelijkheden voor de nabewerking van 3D-geprinte aerogelvormen.

Met de methode, waarvoor inmiddels octrooi is aangevraagd, het is mogelijk om de vloei- en stollingseigenschappen van de silica-inkt, waaruit later de aerogel wordt gemaakt, nauwkeurig af te stellen, zodat zowel zelfdragende structuren als flinterdunne membranen geprint kunnen worden. Als voorbeeld van overhangende constructies, de onderzoekers printten bladeren en bloesems van een lotusbloem. Het testobject drijft op het wateroppervlak vanwege de hydrofobe eigenschappen en lage dichtheid van de silica-aerogel, net als zijn natuurlijke model. De nieuwe technologie maakt het voor het eerst ook mogelijk om complexe 3D multi-materiaal microstructuren te printen.

Isolatiematerialen voor microtechnologie en medicijnen

Met dergelijke constructies is het nu relatief triviaal om zelfs de kleinste elektronische componenten thermisch van elkaar te isoleren. De onderzoekers konden op indrukwekkende wijze de thermische afscherming van een temperatuurgevoelig onderdeel en het thermisch beheer van een lokale "hot spot" aantonen. Een andere mogelijke toepassing is het afschermen van warmtebronnen in medische implantaten, die een oppervlaktetemperatuur van 37 graden niet mag overschrijden om het lichaamsweefsel te beschermen.

Een functioneel aerogelmembraan

Met 3D-printen kunnen combinaties van meerdere lagen en meerdere materialen veel betrouwbaarder en reproduceerbaarder worden geproduceerd. Nieuwe aerogel fijne structuren worden haalbaar en openen nieuwe technische oplossingen, zoals een tweede toepassingsvoorbeeld laat zien:Met behulp van een bedrukt aerogelmembraan, de onderzoekers construeerden een "thermos-moleculaire" benzinepomp. Deze permeatiepomp werkt zonder bewegende delen en staat in de technische gemeenschap ook bekend als een Knudsen-pomp, vernoemd naar de Deense natuurkundige Martin Knudsen. Het werkingsprincipe is gebaseerd op het beperkte gastransport in een netwerk van nanoschaalporiën of eendimensionale kanalen waarvan de wanden aan de ene kant warm en aan de andere kant koud zijn. Het team bouwde zo'n pomp van aerogel, die aan één kant was gedoteerd met nanodeeltjes van zwart mangaanoxide. Wanneer deze pomp onder een lichtbron wordt geplaatst, het wordt warm aan de donkere kant en begint gassen of oplosmiddeldampen te pompen.

Luchtzuivering zonder bewegende delen

Deze toepassingen laten de mogelijkheden van 3D-printen op indrukwekkende wijze zien:3D-printen maakt van het hoogwaardige materiaal aerogel een constructiemateriaal voor functionele membranen dat snel kan worden aangepast voor een breed scala aan toepassingen. De Knudsen-pomp, die uitsluitend wordt aangedreven door zonlicht, kan meer doen dan alleen pompen:als de lucht is verontreinigd met een verontreinigende stof of een milieutoxine zoals het oplosmiddel tolueen, de lucht kan verschillende keren door het membraan circuleren en de verontreinigende stof wordt chemisch afgebroken door een reactie die wordt gekatalyseerd door de mangaanoxide-nanodeeltjes. Zulke door de zon aangedreven, autokatalytische oplossingen zijn vooral aantrekkelijk op het gebied van luchtanalyse en -zuivering op zeer kleine schaal vanwege hun eenvoud en duurzaamheid.

De Empa-onderzoekers zijn nu op zoek naar industriële partners die 3D-geprinte aerogelstructuren willen integreren in nieuwe hightech toepassingen.