研究人員使用3D打印從氣凝膠中制造出微小的組件

用3D打印機(jī)制作出帶有毫米大小花瓣的半透明小蓮花 -- 這真的很吸引眼球，但話說回來，打印機(jī)的技術(shù)現(xiàn)在也是真的相當(dāng)不錯(cuò)。

但要做到這一點(diǎn)，“它”是指用一種固體來建造物體的過程，這種固體在擠壓后變成液體，流經(jīng)針頭，在氣凝膠干燥時(shí)又變?yōu)楣腆w，這種材料的空氣含量超過99%。瑞士研究人員最近宣布，經(jīng)過三年的研究，這種材料在添加劑制造方面取得了突破性進(jìn)展。潛在的應(yīng)用包括建造微小的，薄的，節(jié)省電路板空間的超級(jí)電容器，以及定制形狀，幫助保持醫(yī)療植入物在體內(nèi)保持狀態(tài)。

今年8月，研究人員揭開了一系列復(fù)雜的演示用氣凝膠網(wǎng)格、立方體和蓮花的帷幕，這些網(wǎng)格、立方體和蓮花使用3D微打印技術(shù)制造，其結(jié)構(gòu)厚度僅為十分之一毫米。

氣凝膠是納米多孔固體；美國(guó)宇航局有時(shí)稱之為液體或冰凍煙霧（航天局廣泛使用氣凝膠，其中包括一項(xiàng)捕捉星際彗星塵埃的任務(wù)）。它們可以由二氧化硅、石墨烯或任何其他基材制成。

硅氣凝膠是世界上最好的隔熱材料之一，也是互聯(lián)網(wǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。氣凝膠最引人注目的例子之一是clips of flowers shielded from blowtorches or people protected from flamethrowers。不同的基材會(huì)產(chǎn)生不同的氣凝膠特性：石墨烯或金氣凝膠產(chǎn)生導(dǎo)電紙，但卻會(huì)制造糟糕的絕緣體。二氧化硅是用來御熱的東西。但是氣凝膠是一種既精致又迷人的材料。它們很難處理，大量生產(chǎn)成本也很高。觸碰太頻繁，它們就會(huì)碎裂。它們可以被塑造成或多或少的小尺寸，但迄今為止還不能被加工成微小的物體。

但是，來自瑞士材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室Empa的研究團(tuán)隊(duì)，以及聯(lián)邦技術(shù)研究所ETH zurich和Aargau的Paul Scherrer研究所的同事們都意識(shí)到了這種潛在的應(yīng)用，他們想看看他們是否能夠在微尺度上形成氣凝膠。在過去的十年里，這些團(tuán)隊(duì)一直在使用不同容量的氣凝膠，并開發(fā)了一種氣凝膠基的石膏，用于絕緣修復(fù)歷史建筑或登錄入冊(cè)的名勝古跡。

“如果你能使氣凝膠微型化，成本方面就會(huì)大不相同。Empa超級(jí)絕緣材料小組的負(fù)責(zé)人Wim Malfait說：“只要一立方米，你就可以為一部手機(jī)制造上百萬(wàn)個(gè)零部件，或者其他材料成本不再重要的東西。問題是如何制造它們。如何使組件符合所需的形狀、大小和格式？”

Empa團(tuán)隊(duì)的3D打印配方將現(xiàn)成的硅膠氣凝膠粉末加入到含有硅前驅(qū)體的戊醇溶劑中，使粉末結(jié)合在一起。他們首先用刮刀制造墨水，然后在食物攪拌機(jī)中以3000轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)5分鐘,結(jié)果就是糊狀物。將這種漿糊置于壓力下擠壓會(huì)使它變成一種液體漿料，很容易通過印刷針流動(dòng)。這叫做shear thinning。流進(jìn)針內(nèi)后，可以逐層按所需形狀打印出來。一旦這個(gè)微小的物體形成，他們就用氨氣把物體制成凝膠。

由于凝膠顆粒的體積分?jǐn)?shù)高，油墨表現(xiàn)出剪切稀化行為。結(jié)果，它們?cè)诖蛴∑陂g很容易流過噴嘴，但是在打印后它們的粘度迅速增加，從而確保了打印物體保持其形狀。印刷后，硅溶膠在氨氣中凝膠化，以便隨后加工成氣凝膠。印刷的氣凝膠物體是純二氧化硅，并具有典型的二氧化硅氣凝膠的高比表面積（751平方米/克）和超低導(dǎo)熱率（每米每開爾文15.9毫瓦）。此外，作者證明了可以結(jié)合功能納米顆粒的簡(jiǎn)便性。

印刷后的二氧化硅氣凝膠物體可用于熱管理，用作微型氣泵并降解揮發(fā)性有機(jī)化合物，從而說明了該方案的潛力。該小組最近在《自然》雜志的一篇論文中列出了研究結(jié)果和一些樣本。

Malfait說，瑞士研究所目前正與商業(yè)伙伴合作，對(duì)絕緣體進(jìn)行可行性研究。

隔熱是一個(gè)復(fù)雜的領(lǐng)域，有其他方法可以擴(kuò)散或控制熱量，而無需定制工程。還有其他的氣凝膠研究正在進(jìn)行中，例如在新加坡，Hai Duong的團(tuán)隊(duì)也正在使用廢棄的產(chǎn)品，包括棉花廢料和菠蘿葉制作氣凝膠。氣凝膠90年的歷史正朝著希望的應(yīng)用方向發(fā)展，工程師們也一直在堅(jiān)持。

德國(guó)BASF和馬薩諸塞州的合作伙伴Aspen Aerogels正在制造一系列氣凝膠絕緣墊。如果工業(yè)界需要的話，這可以為小型、定制、廉價(jià)的絕緣體敞開大門。IDTechEx的技術(shù)分析師Richard Collins提醒我們，真正的商業(yè)成功需要市場(chǎng)拉動(dòng)，而不是物質(zhì)推動(dòng)。

原文標(biāo)題：微型超輕絕緣體 只需按一下按鈕即可3D打印

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