研究人员使用3D打印从气凝胶中制造出微小的组件

用3D打印机制作出带有毫米大小花瓣的半透明小莲花 -- 这真的很吸引眼球，但话说回来，打印机的技术现在也是真的相当不错。

但要做到这一点，“它”是指用一种固体来建造物体的过程，这种固体在挤压后变成液体，流经针头，在气凝胶干燥时又变为固体，这种材料的空气含量超过99%。瑞士研究人员最近宣布，经过三年的研究，这种材料在添加剂制造方面取得了突破性进展。潜在的应用包括建造微小的，薄的，节省电路板空间的超级电容器，以及定制形状，帮助保持医疗植入物在体内保持状态。

今年8月，研究人员揭开了一系列复杂的演示用气凝胶网格、立方体和莲花的帷幕，这些网格、立方体和莲花使用3D微打印技术制造，其结构厚度仅为十分之一毫米。

气凝胶是纳米多孔固体；美国宇航局有时称之为液体或冰冻烟雾（航天局广泛使用气凝胶，其中包括一项捕捉星际彗星尘埃的任务）。它们可以由二氧化硅、石墨烯或任何其他基材制成。

硅气凝胶是世界上最好的隔热材料之一，也是互联网关注的焦点。气凝胶最引人注目的例子之一是clips of flowers shielded from blowtorches or people protected from flamethrowers。不同的基材会产生不同的气凝胶特性：石墨烯或金气凝胶产生导电纸，但却会制造糟糕的绝缘体。二氧化硅是用来御热的东西。但是气凝胶是一种既精致又迷人的材料。它们很难处理，大量生产成本也很高。触碰太频繁，它们就会碎裂。它们可以被塑造成或多或少的小尺寸，但迄今为止还不能被加工成微小的物体。

但是，来自瑞士材料科学与技术实验室Empa的研究团队，以及联邦技术研究所ETH zurich和Aargau的Paul Scherrer研究所的同事们都意识到了这种潜在的应用，他们想看看他们是否能够在微尺度上形成气凝胶。在过去的十年里，这些团队一直在使用不同容量的气凝胶，并开发了一种气凝胶基的石膏，用于绝缘修复历史建筑或登录入册的名胜古迹。

“如果你能使气凝胶微型化，成本方面就会大不相同。Empa超级绝缘材料小组的负责人Wim Malfait说：“只要一立方米，你就可以为一部手机制造上百万个零部件，或者其他材料成本不再重要的东西。问题是如何制造它们。如何使组件符合所需的形状、大小和格式？”

Empa团队的3D打印配方将现成的硅胶气凝胶粉末加入到含有硅前驱体的戊醇溶剂中，使粉末结合在一起。他们首先用刮刀制造墨水，然后在食物搅拌机中以3000转/分的速度旋转5分钟,结果就是糊状物。将这种浆糊置于压力下挤压会使它变成一种液体浆料，很容易通过印刷针流动。这叫做shear thinning。流进针内后，可以逐层按所需形状打印出来。一旦这个微小的物体形成，他们就用氨气把物体制成凝胶。

由于凝胶颗粒的体积分数高，油墨表现出剪切稀化行为。结果，它们在打印期间很容易流过喷嘴，但是在打印后它们的粘度迅速增加，从而确保了打印物体保持其形状。印刷后，硅溶胶在氨气中凝胶化，以便随后加工成气凝胶。印刷的气凝胶物体是纯二氧化硅，并具有典型的二氧化硅气凝胶的高比表面积（751平方米/克）和超低导热率（每米每开尔文15.9毫瓦）。此外，作者证明了可以结合功能纳米颗粒的简便性。

印刷后的二氧化硅气凝胶物体可用于热管理，用作微型气泵并降解挥发性有机化合物，从而说明了该方案的潜力。该小组最近在《自然》杂志的一篇论文中列出了研究结果和一些样本。

Malfait说，瑞士研究所目前正与商业伙伴合作，对绝缘体进行可行性研究。

隔热是一个复杂的领域，有其他方法可以扩散或控制热量，而无需定制工程。还有其他的气凝胶研究正在进行中，例如在新加坡，Hai Duong的团队也正在使用废弃的产品，包括棉花废料和菠萝叶制作气凝胶。气凝胶90年的历史正朝着希望的应用方向发展，工程师们也一直在坚持。

德国BASF和马萨诸塞州的合作伙伴Aspen Aerogels正在制造一系列气凝胶绝缘垫。如果工业界需要的话，这可以为小型、定制、廉价的绝缘体敞开大门。IDTechEx的技术分析师Richard Collins提醒我们，真正的商业成功需要市场拉动，而不是物质推动。

原文标题：微型超轻绝缘体 只需按一下按钮即可3D打印

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