Nature重磅｜微擠出式3D打印世界上最輕的材料

第一作者：Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira
通訊作者：Wim J. Malfait，Shanyu Zhao
通訊單位：瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室

本文要點：
1. 通過微擠出式3D打印SiO2氣凝膠。
2. 驗證了SiO2氣凝膠物體的多功能性和應(yīng)用前景。

氣凝膠是一種介孔溶膠-凝膠材料，是世界上密度最小的固體，具有高比表面積（500–1,000 m2g-1）和低密度（0.001–0.200 g cm-3）等特點。氣凝膠是由空氣或自由空間與陶瓷，金屬，顆粒，粉末或碳固體介質(zhì)組成，其中空氣或自由空間的比例> 99％。因此，氣凝膠可以非常輕。除此之外，由于其導(dǎo)熱率低至12 mW m-1K-1，所以又被稱作超級絕緣體。

目前，各種不同材質(zhì)的氣凝膠被相繼開發(fā)出來，并取得了令人矚目的優(yōu)異性能。其中，二氧化硅氣凝膠是迄今為止研究最多和使用最廣泛的氣凝膠。二氧化硅氣凝膠在工業(yè)和建筑保溫材料中被大量使用，每年市場約2.2億美元。

盡管氣凝膠具有極高的強度/重量比，但是，氣凝膠具有本征的易碎性，難以通過常規(guī)的機械加工來制造小型物體，導(dǎo)致其大規(guī)模應(yīng)用之路并不順暢。為了解決這個問題，研究人員發(fā)現(xiàn)3D打印在構(gòu)建氣凝膠物體方面獨具優(yōu)勢，目前已經(jīng)在石墨烯、氧化石墨烯、氮化碳、金、纖維素等氣凝膠領(lǐng)域得到了良好的驗證。

但是，對于純SiO2氣凝膠而言，3D打印依然充滿挑戰(zhàn)，可謂幾乎不可能！

有鑒于此，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室Wim J. Malfait和 Shanyu Zhao等人報道了一種可以通過微擠出式3D打印SiO2氣凝膠物體的方法，從而為SiO2氣凝膠的規(guī)�；瘧�(yīng)用打開了新方向。

圖1. 基本流程

要點1. 制備過程
研究人員將二氧化硅氣凝膠粉末（粒度為4–20μm）置于1-戊醇基二氧化硅溶膠中形成漿液，通過微擠出式3D打印工藝打印純二氧化硅氣凝膠物體。由于戊醇的蒸氣壓較低（比水的蒸氣壓低18倍，20°C），可防止干燥引起的表面損壞，即使延長打印時間也能維持穩(wěn)定。對于小型應(yīng)用，使用工業(yè)級二氧化硅氣凝膠粉所產(chǎn)生的額外成本可以忽略不計。

圖2. 3D打印純二氧化硅氣凝膠物體

要點2. 制備關(guān)鍵
高含量的凝膠顆粒（至少40 V％）：使得墨水表現(xiàn)出剪切稀化現(xiàn)象，以滿足直接進行墨水書寫的需求。墨水由直徑約10μm的氣凝膠顆粒組成，懸浮在溶膠中，二氧化硅納米顆粒的直徑約10 nm。

添加聚（丙二醇）雙（2-氨基丙基醚）：增加油墨的粘度，以防止固液相分離，并改善了溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程中的均質(zhì)性，墨水的保質(zhì)期可達到20天以上。
氨蒸汽活化：在被打印后，將之前摻入油墨中的硅溶膠用氨蒸汽活化，以粘合氣凝膠顆粒并用硅膠填充空隙，便于隨后加工成氣凝膠

要點3. 應(yīng)用潛力
純二氧化硅氣凝膠物體具有典型的二氧化硅氣凝膠的高比表面積（751 m2 g-1）和超低導(dǎo)熱率（15.9mW m-1 K-1）。此外，研究發(fā)現(xiàn)，這種純二氧化硅氣凝膠物體可以簡便地和功能納米顆粒相復(fù)合使用，3D打印后的二氧化硅氣凝膠物體在熱管理，微型氣泵降解揮發(fā)性有機化合物等方面表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。

圖3. 熱管理應(yīng)用

圖4. VOC降解應(yīng)用

小結(jié)
總之，本研究發(fā)展了一種3D打印SiO2氣凝膠宏觀物體的新方法，也是微擠出式3D打印工藝的全新應(yīng)用方向，為SiO2氣凝膠的規(guī)�；瘧�(yīng)用打開了一扇大門。

參考文獻
Shanyu Zhao et al. Additive manufacturing of silica aerogels. Nature 2020, 584, 387–392.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2594-0

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