El aerogel es un excelente aislante térmico. Hasta aquí, sin embargo, se ha utilizado principalmente a gran escala, por ejemplo en tecnología medioambiental, en experimentos físicos o en catálisis industrial. Los investigadores de Empa ahora han logrado hacer que los aerogeles sean accesibles para la microelectrónica y la ingeniería de precisión:un artículo en el último número de la revista científica Naturaleza muestra cómo las piezas impresas en 3D hechas de aerogeles de sílice y materiales compuestos de sílice se pueden fabricar con alta precisión. Esto abre numerosas posibilidades de aplicación nuevas en la industria de alta tecnología, por ejemplo en microelectrónica, robótica, biotecnología y tecnología de sensores.

Detrás del sencillo titular "Fabricación aditiva de aerogeles de sílice", el artículo se publicó el 20 de julio en la reconocida revista científica. Naturaleza —Se oculta un avance revolucionario. Los aerogeles de sílice son ligeros, espumas porosas que proporcionan un excelente aislamiento térmico. En la práctica, también son conocidos por su comportamiento frágil, por eso suelen estar reforzados con fibras o con biopolímeros orgánicos o para aplicaciones a gran escala. Debido a su comportamiento de fractura frágil, Tampoco es posible aserrar o fresar piezas pequeñas de un bloque de aerogel más grande. La solidificación directa del gel en moldes miniaturizados tampoco es confiable, lo que resulta en altas tasas de desperdicio. Esta es la razón por la que los aerogeles apenas se han utilizado para aplicaciones a pequeña escala.

Estable, microestructuras bien formadas

El equipo de Empa dirigido por Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait y Matthias Koebel ahora han logrado producir estables, microestructuras bien formadas a partir de aerogel de sílice mediante el uso de una impresora 3-D. Las estructuras impresas pueden ser tan delgadas como una décima de milímetro. La conductividad térmica del aerogel de sílice es un poco menos de 16 mW / (m * K), solo la mitad que la del poliestireno e incluso significativamente menor que la de una capa de aire que no se mueve. 26 mW / (m * K). Al mismo tiempo, el novedoso aerogel de sílice impreso tiene mejores propiedades mecánicas e incluso se puede perforar y fresar. Esto abre posibilidades completamente nuevas para el posprocesamiento de molduras de aerogel impresas en 3D.

Con el método, para el que ya se ha presentado una solicitud de patente, es posible ajustar con precisión las propiedades de flujo y solidificación de la tinta de sílice a partir de la cual se produce posteriormente el aerogel, de modo que se puedan imprimir tanto estructuras autoportantes como membranas delgadas como una oblea. Como ejemplo de estructuras en voladizo, los investigadores imprimieron hojas y flores de una flor de loto. El objeto de prueba flota en la superficie del agua debido a las propiedades hidrófobas y la baja densidad del aerogel de sílice, al igual que su modelo natural. La nueva tecnología también hace posible, por primera vez, imprimir microestructuras complejas de múltiples materiales en 3D.

Materiales aislantes para microtecnología y medicina

Con tales estructuras, ahora es comparativamente trivial aislar térmicamente incluso los componentes electrónicos más pequeños entre sí. Los investigadores pudieron demostrar el blindaje térmico de un componente sensible a la temperatura y la gestión térmica de un "punto caliente" local de una manera impresionante. Otra posible aplicación es el blindaje de fuentes de calor dentro de implantes médicos, que no debe exceder una temperatura superficial de 37 grados para proteger el tejido corporal.

Una membrana de aerogel funcional

La impresión 3-D permite producir combinaciones multicapa / multimaterial de forma mucho más fiable y reproducible. Las nuevas estructuras finas de aerogel se vuelven factibles y abren nuevas soluciones técnicas, como muestra un segundo ejemplo de aplicación:Usando una membrana de aerogel impresa, los investigadores construyeron una bomba de gas "termo-molecular". Esta bomba de permeación funciona sin partes móviles y también es conocida por la comunidad técnica como una bomba Knudsen, nombrado en honor al físico danés Martin Knudsen. El principio de funcionamiento se basa en el transporte de gas restringido en una red de poros a nanoescala o canales unidimensionales cuyas paredes están calientes en un extremo y frías en el otro. El equipo construyó una bomba de aerogel, que estaba dopado en un lado con nanopartículas de óxido de manganeso negro. Cuando esta bomba se coloca debajo de una fuente de luz, se calienta en el lado oscuro y comienza a bombear gases o vapores de solventes.

Purificación de aire sin partes móviles

Estas aplicaciones muestran las posibilidades de la impresión 3-D de una manera impresionante:la impresión 3-D convierte el material de aerogel de alto rendimiento en un material de construcción para membranas funcionales que se puede modificar rápidamente para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones. La bomba Knudsen, que es impulsado únicamente por la luz solar, puede hacer más que simplemente bombear:si el aire está contaminado con un contaminante o una toxina ambiental como el disolvente tolueno, el aire puede circular a través de la membrana varias veces y el contaminante se descompone químicamente mediante una reacción catalizada por las nanopartículas de óxido de manganeso. Tan impulsado por el sol, Las soluciones autocatalíticas son particularmente atractivas en el campo del análisis y purificación del aire a muy pequeña escala debido a su simplicidad y durabilidad.

Los investigadores de Empa ahora están buscando socios industriales que deseen integrar estructuras de aerogel impresas en 3D en nuevas aplicaciones de alta tecnología.