L'aerogel è un ottimo isolante termico. Finora, però, è stato utilizzato principalmente su larga scala, per esempio nella tecnologia ambientale, negli esperimenti fisici o nella catalisi industriale. I ricercatori dell'Empa sono ora riusciti a rendere gli aerogel accessibili alla microelettronica e all'ingegneria di precisione:un articolo sull'ultimo numero della rivista scientifica Natura mostra come le parti stampate in 3D realizzate con aerogel di silice e materiali compositi di silice possono essere prodotte con alta precisione. Ciò apre numerose nuove possibilità di applicazione nell'industria high-tech, per esempio nella microelettronica, robotica, biotecnologia e tecnologia dei sensori.

Dietro il semplice titolo "Produzione additiva di aerogel di silice", l'articolo è stato pubblicato il 20 luglio sulla rinomata rivista scientifica Natura — uno sviluppo innovativo è nascosto. Gli aerogel di silice sono leggeri, schiume porose che garantiscono un ottimo isolamento termico. In pratica, sono anche noti per il loro comportamento fragile, per questo sono solitamente rinforzati con fibre o con organici o biopolimeri per applicazioni su larga scala. A causa del loro comportamento fragile alla frattura, non è inoltre possibile segare o fresare piccoli pezzi da un blocco di aerogel più grande. Anche la solidificazione diretta del gel in stampi miniaturizzati non è affidabile, il che si traduce in elevati tassi di scarto. Questo è il motivo per cui gli aerogel sono difficilmente utilizzabili per applicazioni su piccola scala.

Stabile, microstrutture ben formate

Il team Empa guidato da Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait e Matthias Koebel sono ora riusciti a produrre stabili, microstrutture ben modellate da aerogel di silice utilizzando una stampante 3D. Le strutture stampate possono essere sottili fino a un decimo di millimetro. La conduttività termica dell'aerogel di silice è poco meno di 16 mW/(m*K) - solo la metà di quella del polistirene e persino significativamente inferiore a quella di uno strato d'aria non in movimento, 26 mW/(m*K). Allo stesso tempo, il nuovo aerogel di silice stampato ha proprietà meccaniche ancora migliori e può anche essere forato e fresato. Ciò apre possibilità completamente nuove per la post-elaborazione di stampi in aerogel stampati in 3D.

Con il metodo, per il quale è stata ora depositata una domanda di brevetto, è possibile regolare con precisione le proprietà di flusso e solidificazione dell'inchiostro di silice da cui viene successivamente prodotto l'aerogel, in modo da poter stampare sia strutture autoportanti che membrane sottilissime. Come esempio di strutture a sbalzo, i ricercatori hanno stampato foglie e fiori di un fiore di loto. L'oggetto in prova galleggia sulla superficie dell'acqua grazie alle proprietà idrofobe e alla bassa densità dell'aerogel di silice, proprio come il suo modello naturale. La nuova tecnologia consente inoltre per la prima volta di stampare complesse microstrutture multimateriale 3D.

Materiali isolanti per microtecnologia e medicina

Con tali strutture è ora relativamente banale isolare termicamente anche i più piccoli componenti elettronici l'uno dall'altro. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare in modo impressionante la schermatura termica di un componente sensibile alla temperatura e la gestione termica di un "punto caldo" locale. Un'altra possibile applicazione è la schermatura di fonti di calore all'interno di impianti medici, che non dovrebbe superare una temperatura superficiale di 37 gradi per proteggere i tessuti del corpo.

Una membrana di aerogel funzionale

La stampa 3D consente di produrre combinazioni multistrato/multimateriale in modo molto più affidabile e riproducibile. Nuove strutture fini in aerogel diventano realizzabili e aprono nuove soluzioni tecniche, come mostra un secondo esempio di applicazione:Utilizzando una membrana di aerogel stampata, i ricercatori hanno costruito una pompa di gas "termomolecolare". Questa pompa di permeazione funziona senza alcuna parte in movimento ed è anche nota alla comunità tecnica come pompa Knudsen, prende il nome dal fisico danese Martin Knudsen. Il principio di funzionamento si basa sul trasporto limitato di gas in una rete di pori o canali unidimensionali su scala nanometrica le cui pareti sono calde da un lato e fredde dall'altro. Il team ha costruito una tale pompa da aerogel, che è stato drogato su un lato con nanoparticelle di ossido di manganese nero. Quando questa pompa è posta sotto una fonte di luce, diventa caldo sul lato oscuro e inizia a pompare gas o vapori di solventi.

Purificazione dell'aria senza parti in movimento

Queste applicazioni mostrano le possibilità della stampa 3D in modo impressionante:la stampa 3D trasforma il materiale aerogel ad alte prestazioni in un materiale da costruzione per membrane funzionali che possono essere rapidamente modificate per adattarsi a un'ampia gamma di applicazioni. La pompa Knudsen, che è guidato esclusivamente dalla luce del sole, può fare di più che semplicemente pompare:se l'aria è contaminata da un inquinante o da una tossina ambientale come il solvente toluene, l'aria può circolare più volte attraverso la membrana e l'inquinante viene degradato chimicamente da una reazione catalizzata dalle nanoparticelle di ossido di manganese. Tale energia solare, le soluzioni autocatalitiche sono particolarmente appetibili nel campo dell'analisi e della purificazione dell'aria su scala molto ridotta per la loro semplicità e durata.

I ricercatori dell'Empa sono ora alla ricerca di partner industriali che vogliano integrare strutture di aerogel stampate in 3D in nuove applicazioni high-tech.