江蘇雷射聯盟導讀：氣凝膠具有超低的導熱性開孔的結構而廣泛用作絕緣材料。但氣凝膠脆性比較大，使得製備小微型器件比較困難。來自瑞士的學者突破思維定勢，創新的提出一種3D 列印的辦法來製備小微型的氣凝膠器件。不僅成功的實現了列印，其性能還沒有喪失。這一創新成果發表在近日發表的頂刊《Nature》上。
圖1 3Ｄ列印氣凝膠的實物照片及其疏水性實驗的結果
圖解：a–c, 3D列印的類似荷花形狀的氣凝膠實物照片； (a) 證實列印的氣凝膠荷花是非常輕質的； (b)列印的氣凝膠的超疏水照片； d, 採用水和1-戊醇進行潤溼角測量的結果
由於具有超低的導熱和開孔的結構，氣凝膠廣泛的用作熱絕緣材料、催化材料、物理材料、環境修復、光學器件以及超高速粒子捕獲等。於氣凝膠來說，用作導熱材料是以上應用領域中的最大市場。尤其是在空間受到限制的時候，氣凝膠是最為理想的材料。唯一比較遺憾的就是氣凝膠材料的脆性，限制了氣凝膠更為廣泛的應用。在應用於建築和工業絕緣這種大面積應用背景的場合下，採用纖維增強和粘結劑填充的手段可以克服氣凝膠脆性大的問題。但依然存在可加工性能差，同時還存在採用精密鑄造製造小體積的製品時比較困難的問題，從而限制了氣凝膠作為小型化器件的應用。增材製造技術可以提供一種製造小型化製品的有效製造途徑，但經常被認為對氣凝膠來說是不行的。
圖２採用墨水直接列印氣凝膠
圖解：ａ 直接墨水列印技術列印氣凝膠的示意圖，其中，列印墨水，要麼是整潔（藍色）或這是進行功能化後的，如，MnO2 納米顆粒（金色），靠壓縮空氣通過噴嘴來實現。列印的物體通過氣體為基礎的ＰＨ值的變化來實現膠化，在經過超臨界的ＣＯ２中來實現乾燥。ｂ，採用墨水 ＳＰ２.５列印的具有荷花形狀的氣凝膠，列印參數：通過內徑為４１０微米的錐形噴嘴，流動速度為15 mm s1。列印的荷花具有３８層，列印花費時間２６ｍｉｎ；ｃ－ｅｂ中凝固前（ｃ）的氣凝膠的圖像；ｄ，氨蒸汽誘導凝膠化 後的圖像，ｅ乾燥後的圖像，ｆ 用於氣凝膠的顆粒的分布；ｇ不同模式隨的剪切減薄行為；ｈ 存儲和消失模量Ｖｓ不同墨水的剪切應力
近日，來自瑞士的科學家打破思維定勢，讓３D 列印不再設限，利用３D列印的方法來製造微型的氣凝膠部件，列印時將氣凝膠粉末的漿料放置於稀釋的氣凝膠納米顆粒的懸浮液（ＳＯＬ）中實現的。這一成果發表在近日發表的頂刊《Ｎａｔｕｒｅ》上。
圖３ ３D列印的對象及其相應的顯微結構以及所測量出來的部分屬性
墨水呈現出剪切減薄行為 ，這是因為凝膠顆粒的體積分數大的原因。於是，墨水就可以非常容易地從噴嘴流出，從而實現列印。但它的粘度在列印後需要迅速地增加變大，以確保列印的物體能夠維持其列印出來的形狀。列印之後，矽溶膠在氨水的氣氛環境下膠化，以確保隨後的氣凝膠加工過程可以持續進行下去。列印出來的氣凝膠製品由純的氧化矽所組成，並且可以保持高的比表面積（７５１平方米每克）和超低的熱導性（１５.９毫瓦(特)每米每Ｋ），
採用3D列印列印氣凝膠所製備出來的熱管理器件
（此處插入視頻）a, 設計和列印出來的凝膠陣列 (墨水為 SP1.6, 210-μm的錐形噴嘴, 3.5 min at 15 mm s1; Supplementary Video 4).每一物體的厚度在途中也給標出了，尺度為mm. b, 光學照片； c, 經過至少0.5h的熱平衡（熱的平板上進行加熱）之後使用紅外攝像拍攝的照片； d, 經過至少0.5h的熱平衡（在冰塊上）使用紅外攝像拍攝到的照片，物體的厚度（b–d）的在圖中也給標示出來了， e, i, 列印的氣凝膠部件的草圖 (e)和實物圖 (i) (410-μm錐型噴嘴, 2 min at 12 mm s1). f–h, j–l, 在使用電壓調節器 (RG2; f, j)的條件下電路板在槽子或者隔熱器的前提下的照片，實物圖 (f–h) 和紅外攝像得到的圖片 (j–l) 。採用Al帶作為熱槽 (g, k), 以及同時居於哦熱槽和隔熱器的條件下的結果r (h, l).
同樣是氣凝膠所特有的性質。而且，研究人員同時還展示了採用３D列印氣凝膠的功能性顆粒，製備出用於熱管理的器件、小型氣體泵、降解揮發性有機化合物 ，從而顯示出該列印技術的巨大的潛力。
VOC降解的同時實現光碟機動的熱發氣泵
X射線影像學分析結果
圖11 保護溫敏電容器 不受熱的傷害
圖解：a–c, 沒有進行保護的結果 (T/C, T-型熱電偶t） a), 聚苯乙烯泡沫覆蓋的器件 (XPS; b) 和列印的氣凝膠進行覆蓋的器件 (c). d, STL file. e, 3D列印的氣凝膠蓋帽； f, 在接觸筒形加熱器後溫度的變化
綜上所述，瑞士學者所提出來的打破傳統思維的3D列印的研究方案，不僅實現了氣凝膠的成功列印，同時還使得列印出來的氣凝膠製品精度高，惟妙惟肖，而且其所具有的獨特的功能和獨具一格的材料的性能也繼續保有。尤其是作為隔熱性能的絕緣材料和列印出來的高的孔隙率，沒有在列印過程中喪失，這一點至關重要。同時，3D列印避免了減材成形的弊端，為氣凝膠的應用打開了廣闊的新天地。這將充分發揮 氣凝膠在電子學、光學、化學、醫療等場合的獨特應用更容易得到實現，同時還將促使氣凝膠的獨特的功能和別具一格的性能可以融合到多材料結構的製造中。
文章來源：Zhao, S., Siqueira, G., Drdova, S. et al. Additive manufacturing of silica aerogels. Nature 584, 387–392 (2020).