作者赖纳·克洛泽，瑞士联邦材料科学与技术实验室 为了证明在3D打印中可以产生精细的气凝胶结构，研究人员打印了一朵由气凝胶制成的莲花
信用:Empa 气凝胶是一种极好的绝热材料
然而，到目前为止，它主要被大规模使用，例如在环境技术、物理实验或工业催化中
Empa的研究人员现在已经成功地将气凝胶应用于微电子和精密工程领域:最新一期《自然》科学杂志上的一篇文章展示了如何以高精度制造由二氧化硅气凝胶和二氧化硅复合材料制成的三维打印部件
这在高科技产业中开辟了许多新的应用可能性，例如在微电子、机器人、生物技术和传感器技术中
在简单的标题“二氧化硅气凝胶的添加剂制造”——这篇文章发表在7月20日著名的科学杂志《自然》上——背后隐藏着一个突破性的发展
二氧化硅气凝胶是轻质的多孔泡沫，具有优异的隔热性能
在实践中，它们也以其易碎的行为而闻名，这就是为什么它们通常用纤维或有机或生物聚合物进行大规模应用的原因
由于它们的脆性断裂行为，也不可能从较大的气凝胶块中锯出或磨出小块
在微型模具中直接固化凝胶也不可靠，这导致高废品率
这就是为什么气凝胶很难用于小规模应用的原因
稳定、成形良好的微结构 由·赵、吉尔伯托·西奎拉、维姆·马尔法特和马蒂亚斯·科贝尔领导的Empa团队现在已经使用三维打印机成功地从二氧化硅气凝胶中生产出稳定、形状良好的微结构
印刷结构可以薄至十分之一毫米
二氧化硅气凝胶的导热系数不到16毫瓦/(米*克)-只有聚苯乙烯的一半，甚至明显低于26毫瓦/(米*克)的不流动空气层的导热系数
同时，新型印刷二氧化硅气凝胶具有更好的机械性能，甚至可以钻孔和研磨
这为三维印刷气凝胶模制品的后处理开辟了全新的可能性
利用该方法，现在已经提交了专利申请，有可能精确地调节二氧化硅油墨的流动和固化特性，从而可以印刷自支撑结构和薄片薄膜，二氧化硅油墨是后来生产气凝胶的原料
作为悬垂结构的一个例子，研究人员印刷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，测试物体漂浮在水面上——就像它的自然模型一样
这项新技术还首次使印刷复杂的三维多材料微结构成为可能
微技术和医学用绝缘材料 利用这种结构，即使是最小的电子元件彼此之间的热绝缘现在也是相对简单的
研究人员能够以令人印象深刻的方式展示温度敏感元件的热屏蔽和局部“热点”的热管理
另一个可能的应用是屏蔽医用植入物内部的热源，为了保护身体组织，其表面温度不应超过37度
功能性气凝胶膜 三维打印使得多层/多种材料的组合生产更加可靠和可重复
新的气凝胶精细结构变得可行，并开辟了新的技术解决方案，如第二个应用实例所示:研究人员使用印刷的气凝胶薄膜构建了一个“热分子”气泵
这种渗透泵在没有任何运动部件的情况下也能正常工作，技术界也称之为努森泵，以丹麦物理学家马丁·努森的名字命名
其工作原理是基于纳米尺度孔隙或一维通道网络中的受限气体传输，其中壁的一端是热的，另一端是冷的
研究小组用气凝胶制造了这样一个泵，气凝胶的一侧掺杂有黑色氧化锰纳米粒子
当这个泵放在光源下时，黑暗面变暖，开始泵送气体或溶剂蒸汽
一个由气凝胶制成的微小的定制护罩可以有效地屏蔽电子元件的热量
这些热图像显示了主板上的电压控制器的热量是如何被屏蔽的(左边没有绝缘，中间有铝条，右边有3D打印的定制气凝胶块(最左边)；红色/紫色:高温；绿色/蓝色:低温)
信用:Empa 没有活动部件的空气净化 这些应用以一种令人印象深刻的方式展示了三维打印的可能性:三维打印将高性能材料气凝胶转化为功能膜的构建材料，可以快速修改以适应广泛的应用
仅由太阳光驱动的努森泵不仅仅可以泵送:如果空气被污染物或环境毒素(如溶剂甲苯)污染，空气可以在膜中循环数次，污染物通过氧化锰纳米粒子催化的反应被化学分解
这种太阳能自催化解决方案由于其简单性和持久性，在非常小规模的空气分析和净化领域特别有吸引力
Empa的研究人员现在正在寻找工业合作伙伴，希望将三维印刷气凝胶结构集成到新的高科技应用中
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