硅基氣凝膠是目前性能最好的固態(tài)超絕熱材料。目前，它被大規(guī)模使用在工業(yè)管道、高鐵、運輸和建筑等領(lǐng)域的保溫（或保冷），宇宙高速粒子捕獲或工業(yè)催化中。瑞士聯(lián)邦材料科學技術(shù)實驗室Empa的研究人員成功地設(shè)計出一種氣凝膠墨水及其相應(yīng)的打印技術(shù)，使得氣凝膠可進行微型化制造，從而進入到微電子和精密加工工程。最新一期的“Nature”雜志發(fā)表了相關(guān)的研究并在Nature Podcast上進行了專題報道，展示了如何采用二氧化硅氣凝膠和二氧化硅復合材料高精度制造3D打印零件 。這為氣凝膠在高科技行業(yè)，例如微電子，機器人技術(shù)，生物技術(shù)和傳感器技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，打開了新的可能性。
為證明可采用3D打印制作精密的氣凝膠結(jié)構(gòu)，研究人員打印了硅氣凝膠蓮花。圖片版權(quán)：Empa
文章于8月19日在著名的科學雜志《自然》（Nature）上發(fā)表，采用了簡單的標題“二氧化硅氣凝膠的增材制造”，但是背后隱藏著突破性的進展。二氧化硅氣凝膠具有出色的隔熱性。但是在實踐中，它還因其結(jié)構(gòu)的脆性而聞名，因此，通常將它們用纖維，有機或生物聚合物增強來進行大規(guī)模應(yīng)用。并且，由于其極低的力學性能，這種材料不可能進行機械加工或減材制造。在小型模具中直接成型也不可靠，因為廢品率太高，并且形狀不能太復雜。這就是為什么氣凝膠幾乎不能用于小規(guī)模的應(yīng)用。
穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)良好的微結(jié)構(gòu)
由趙善宇，吉爾伯托·西奎拉（Gilberto Siqueira）和威姆·馬爾菲（Wim Malfait）領(lǐng)導的Empa團隊成功地使用3D打印技術(shù)從二氧化硅氣凝膠中制造出穩(wěn)定，形狀良好的微結(jié)構(gòu)。印刷結(jié)構(gòu)可以薄到幾十微米，而熱導率低于16 mW /（m K）僅為同等厚度聚苯乙烯的一半。同時，印刷二氧化硅氣凝膠具有更好的機械性能，可以進行鉆孔和研磨。這也為3D打印氣凝膠模制品的后處理開辟了全新的可能性。
目前，此技術(shù)已申請專利，通過打印材料的優(yōu)化，可以精確地調(diào)節(jié)二氧化硅油墨的流動性和固化性能，從而使自支撐結(jié)構(gòu)和薄膜都可以被打印。為突出打印懸垂結(jié)構(gòu)的能力，研究人員打印了蓮花的葉子和花朵。由于二氧化硅氣凝膠的疏水性和低密度，打印材料可以漂浮在水面上。
具有超憎水性的3D打印硅氣凝膠蓮花。圖片版權(quán)：Empa
絕緣材料:微電子和醫(yī)學設(shè)備
利用微結(jié)構(gòu)材料，現(xiàn)在即使在緊密相鄰的小型的電子元件中，也可以實現(xiàn)彼此隔熱。研究人員演示了溫度敏感組件的熱屏蔽和局部“熱點”的熱管理。并且，未來可能的應(yīng)用，可以屏蔽醫(yī)療植入物內(nèi)部的熱源，使得熱源表面溫度不超過37度以保護人體組織。
氣凝膠打印微型屏蔽罩可以有效地屏蔽電子組件中的熱量。熱圖像顯示屏蔽主板上電壓控制器的熱量（左側(cè)不帶絕緣，中間帶鋁條散熱，右側(cè)帶3D打印的定制氣凝膠塊）。圖片版權(quán)：Empa
功能性氣凝膠膜
3D打印使多層/多材料組合成為可能。研究人員使用打印的多層氣凝膠膜構(gòu)造了“熱分子”泵（Knudsen泵）。這種滲透泵不帶任何運動部件，以丹麥物理學家Martin Knudsen的名字命名，原理基于在納米級孔或一維通道網(wǎng)絡(luò)中的受限氣體傳輸。該團隊打印純硅氣凝膠層作為分子泵，頂層打印摻雜氧化錳納米顆粒的氣凝膠層。當氣凝膠膜放在光源下，吸光面變熱并開始泵送氣體或蒸氣。
靠陽光驅(qū)動的Knudsen泵不僅可以泵送，如果空氣被污染物或環(huán)境毒素（如甲苯）污染，則空氣可以循環(huán)通過膜數(shù)次，并且污染物可以被錳氧化物納米顆粒催化分解。這種以太陽能為動力的自催化方案由于其簡單和耐用性，在小規(guī)模的空氣分析和凈化領(lǐng)域特別有吸引力。
Empa研究人員現(xiàn)在正在尋找想要將3D打印氣凝膠結(jié)構(gòu)集成到新的高科技應(yīng)用中的行業(yè)合作伙伴。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2594-0
Nature podcast: https://www.nature.com/articles/d41586-020-02448-5
