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Nature 揭示二氧化硅气凝胶微结构制造的突破性进展，3D打印是关键
发布时间：
2021-09-09 15:58
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二氧化硅气凝胶是一种轻质的多孔泡沫，具有出色的隔热性，二氧化硅气凝胶大块材料已应用于环境技术、物理实验或工业催化领域。
二氧化硅气凝胶材料还有一个性能是脆性，由于脆性易导致断裂行为，因此难以从较大的气凝胶块中分割成小块，而通过小型模具直接固化凝胶的技术废品率高。这些是导致二氧化硅气凝胶材料几乎不能实现小型应用的主要原因。
根据3D科学谷的市场研究，微型二氧化硅气凝胶制造技术取得的突破性进展，研究团队通过墨水直写3D打印技术实现二氧化硅气凝胶材料的高精度制造。该技术为众多高科技行业的隔热应用打开了新的可能性，例如微电子、机器人技术、生物技术和传感器技术。
拓展气凝胶小型化应用
研究团队已成功使用3D打印生产出稳定、形状良好的微结构二氧化硅气凝胶，打印结构可以薄至十分之一毫米。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3D打印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。
3D打印气凝胶莲花样件，用于证明可以在3D打印中产生精细的气凝胶结构。
研究团队利用现在已申请专利的方法，可以精确地调节二氧化硅油墨的流动性和固化性能，从而实现自支撑结构和薄膜结构的3D打印。图中的莲花状3D打印二氧化硅气凝胶样件是一种悬垂结构。由于二氧化硅气凝胶的疏水性和低密度，测试对象能够漂浮在水面上，就像天然的莲花一样。
新技术还使首次打印复杂的3D多材料微结构成为可能。
热管理应用
关于这一技术的应用方向，研究团队也进行了探究。其中一个应用方向是热管理。
由气凝胶制成的微型定制屏蔽罩可以有效地屏蔽电子元器件的热量。这些热图像显示了如何屏蔽主板上电压控制器的热量（左侧不带绝缘，中间带铝条，右侧带3D打印的定制气凝胶块（最左侧）；红色/紫色：高温；绿色/蓝色：低温）。
例如可以用于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，使热源的表面温度不超过37度，从而起到保护人体组织的作用。
功能性气凝胶膜
3D打印技术使得多层/多材料组合的生产更加可靠和可重复，也是的新型气凝胶精细结构的制造具有可行性。
研究人员使用3D打印的气凝胶膜构造了“热分子”渗透泵，在没有任何活动部件，仅以太阳能为动力的情况下就可以运行。这种渗透泵的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，孔壁在一端热而在另一端冷。渗透泵的一侧掺杂了黑色氧化锰纳米颗粒。
空气净化
在以上渗透泵的应用中，研究团队通过3D打印技术能够将气凝胶转变为功能性膜。如果将这一应用稍加改变，则可以适用于更广泛的领域。
比如说，如果空气被污染物或环境毒素（如溶剂甲苯）污染，则空气可以循环通过膜数次，污染物被锰氧化物纳米颗粒催化的反应分解。由于简单性和耐用性，这种利用太阳能为动力所实现的自催化解决方案，在小规模的空气分析和净化领域特别有吸引力。
研究团队所提出的墨水直写3D打印技术，可以将二氧化硅纳米颗粒悬浮液（溶胶）中的二氧化硅气凝胶粉末浆液生成微型的二氧化硅气凝胶物体。由于凝胶颗粒的体积分数高，油墨表现出剪切稀化行为。这种材料在打印期间很容易流过喷嘴，但在打印后粘度迅速增加，从而确保打印物体保持其形状。3D打印后硅溶胶在氨气中凝胶化。此外，论文证明了可以结合功能纳米颗粒的简易性，并说明了这一技术在热管理，微型气泵等领域的潜力。
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