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研究人员表示气凝胶是未来的微结构材料

在简单的标题“二氧化硅气凝胶的增材制造”的背后-该文章于7月20日发表在著名的科学杂志《自然》上-一项具有开创性的发展被隐藏了。二氧化硅气凝胶是轻质的多孔泡沫,具有出色的隔热性。实际上,它们还因其脆性而闻名,这就是为什么通常将它们用纤维或有机或生物聚合物增强以用于大规模应用的原因。由于它们的脆性断裂行为,也不可能从较大的气凝胶块中锯出或磨碎小块。在小型模具中直接固化凝胶也不可靠-这导致高废品率。这就是为什么气凝胶几乎不能用于小规模的应用。

稳定,结构良好的微结构

由赵善宇,吉尔伯托·西奎拉(Gilberto Siqueira),威姆·马尔菲(Wim Malfait)和马蒂亚斯·科贝尔(Matthias Koebel)领导的Empa团队现在已经成功地使用3D打印机从二氧化硅气凝胶中生产出稳定,形状良好的微结构。印刷结构可以薄到十分之一毫米。二氧化硅气凝胶的热导率刚好低于16 mW /(m * K)-仅是聚苯乙烯的一半,甚至比不流动的空气层的26 mW /(m * K)还要低得多。同时,新型印刷二氧化硅气凝胶具有更好的机械性能,甚至可以进行钻孔和研磨。这为3D打印气凝胶成型的后处理开辟了全新的可能性。

利用现在已申请专利的方法,可以精确地调节随后产生气凝胶的二氧化硅油墨的流动性和固化性能,从而使自支撑结构和薄薄的膜都可以被打印。作为悬垂结构的一个例子,研究人员打印了荷叶的花朵。由于二氧化硅气凝胶的疏水性和低密度,测试对象漂浮在水面上-就像其自然模型一样。新技术还使首次打印复杂的3D多材料微结构成为可能。

微技术和医学绝缘材料

利用这样的结构,现在即使是最小的电子部件也彼此隔热是比较容易的。研究人员能够以令人印象深刻的方式演示温度敏感组件的热屏蔽和局部“热点”的热管理。另一个可能的应用是屏蔽医疗植入物内部的热源,该热源的表面温度不应超过37度,以保护人体组织。

功能性气凝胶膜

3D打印使多层/多材料组合的生产更加可靠和可重复。新型气凝胶精细结构变得可行,并开辟了新的技术解决方案,如第二个应用示例所示:研究人员使用印刷的气凝胶膜构造了“热分子”气泵。这种渗透泵的运转根本没有任何活动部件,并且以丹麦物理学家马丁·努德森(Martin Knudsen)的名字命名,在技术界也称为Knudsen泵。操作原理是基于在纳米级孔或一维通道网络中的受限气体传输,该孔的壁在一端热而在另一端冷。该团队用气凝胶制造了这种泵,该泵的一侧掺杂了黑色氧化锰纳米颗粒。将此泵放在光源下时,

空气净化,无活动部件

这些应用程序以令人印象深刻的方式展示了3D打印的可能性:3D打印将高性能材料的气凝胶转变为功能性膜的建筑材料,可以对其进行快速修改以适应广泛的应用。Knudsen泵仅由阳光驱动,其作用不仅仅限于泵:如果空气被污染物或环境毒素(如溶剂甲苯)污染,则空气可循环通过膜数次,并且污染物是化学性的被锰氧化物纳米颗粒催化的反应分解。这种以太阳能为动力的自催化解决方案由于其简单性和耐用性,在小规模的空气分析和净化领域特别有吸引力。

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