Nature：3D打印硅基气凝胶超绝热材料

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硅基气凝胶是目前性能最好的固态超绝热材料。目前，它被大规模使用在工业管道、高铁、运输和建筑等领域的保温（或保冷），宇宙高速粒子捕获或工业催化中。瑞士联邦材料科学技术实验室Empa的研究人员成功地设计出一种气凝胶墨水及其相应的打印技术，使得气凝胶可进行微型化制造，从而进入到微电子和精密加工工程。最新一期的“Nature”杂志发表了相关的研究并在Nature Podcast上进行了专题报道，展示了如何采用二氧化硅气凝胶和二氧化硅复合材料高精度制造3D打印零件 。这为气凝胶在高科技行业，例如微电子，机器人技术，生物技术和传感器技术等领域的应用，打开了新的可能性。

为证明可采用3D打印制作精密的气凝胶结构，研究人员打印了硅气凝胶莲花。图片版权：Empa

文章于8月19日在著名的科学杂志《自然》（Nature）上发表，采用了简单的标题“二氧化硅气凝胶的增材制造”，但是背后隐藏着突破性的进展。二氧化硅气凝胶具有出色的隔热性。但是在实践中，它还因其结构的脆性而闻名，因此，通常将它们用纤维，有机或生物聚合物增强来进行大规模应用。并且，由于其极低的力学性能，这种材料不可能进行机械加工或减材制造。在小型模具中直接成型也不可靠，因为废品率太高，并且形状不能太复杂。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）和威姆·马尔菲（Wim Malfait）领导的Empa团队成功地使用3D打印技术从二氧化硅气凝胶中制造出稳定，形状良好的微结构。印刷结构可以薄到几十微米，而热导率低于16 mW /（m K）仅为同等厚度聚苯乙烯的一半。同时，印刷二氧化硅气凝胶具有更好的机械性能，可以进行钻孔和研磨。这也为3D打印气凝胶模制品的后处理开辟了全新的可能性。

目前，此技术已申请专利，通过打印材料的优化，可以精确地调节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膜都可以被打印。为突出打印悬垂结构的能力，研究人员打印了莲花的叶子和花朵。由于二氧化硅气凝胶的疏水性和低密度，打印材料可以漂浮在水面上。

具有超憎水性的3D打印硅气凝胶莲花。图片版权：Empa

绝缘材料:微电子和医学设备

利用微结构材料，现在即使在紧密相邻的小型的电子元件中，也可以实现彼此隔热。研究人员演示了温度敏感组件的热屏蔽和局部“热点”的热管理。并且，未来可能的应用，可以屏蔽医疗植入物内部的热源，使得热源表面温度不超过37度以保护人体组织。

气凝胶打印微型屏蔽罩可以有效地屏蔽电子组件中的热量。热图像显示屏蔽主板上电压控制器的热量（左侧不带绝缘，中间带铝条散热，右侧带3D打印的定制气凝胶块）。图片版权：Empa

功能性气凝胶膜

3D打印使多层/多材料组合成为可能。研究人员使用打印的多层气凝胶膜构造了“热分子”泵（Knudsen泵）。这种渗透泵不带任何运动部件，以丹麦物理学家Martin Knudsen的名字命名，原理基于在纳米级孔或一维通道网络中的受限气体传输。该团队打印纯硅气凝胶层作为分子泵，顶层打印掺杂氧化锰纳米颗粒的气凝胶层。当气凝胶膜放在光源下，吸光面变热并开始泵送气体或蒸气。

靠阳光驱动的Knudsen泵不仅可以泵送，如果空气被污染物或环境毒素（如甲苯）污染，则空气可以循环通过膜数次，并且污染物可以被锰氧化物纳米颗粒催化分解。这种以太阳能为动力的自催化方案由于其简单和耐用性，在小规模的空气分析和净化领域特别有吸引力。

Empa研究人员现在正在寻找想要将3D打印气凝胶结构集成到新的高科技应用中的行业合作伙伴。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2594-0

Nature podcast: 

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02448-5

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