Nature: 加法制造二氧化硅气凝胶!3D打印绝缘、热管理和光驱性材料！

二氧化硅是具备极低传热性和打孔构造的原材料，被普遍用以热绝缘层，催化反应，物理学，环境卫生整治，电子光学元器件和快速颗粒捕获等行业。二氧化硅气凝胶是目前为止科学研究较多和运用较普遍的气凝胶种类。虽然气凝胶有较高的抗压强度净重比，二氧化硅气凝胶通常太脆，不可以根据加减法生产加工来加工。化学纤维提高原材料和粘接剂可用以摆脱问题，但他们的机械设备工艺性能差，铸造精准小物件难度系数高，这限定了二氧化硅气凝胶的实用化运用层面的发展潜力。较近，瑞士联邦原材料科学与技术试验室的Wim J.Malfait精英团队明确提出了一种立即的黑墨水撰写协议书，立即将二氧化硅气凝胶粉末状的（图1f）浆体立即开展黑墨水撰写（图1a–e），来打印出二氧化硅气凝胶，从这当中造成小型化的二氧化硅气凝胶物件。因为疑胶颗粒物的摩尔分数高（较少40%），油墨主要表现出剪切稀化个人行为（图1g，h）。黑墨水由直径大约10μm的气凝胶颗粒物构成，飘浮在胶体溶液中，二氧化硅纳米颗粒的直径大约10 nm。在打印出全过程中，因为剪切很稀，油墨非常容易穿过喷嘴，可是因为在没有剪切的情形下黏度快速提升，因而在打印出后仍维持其样子。打印出出的物件细条和喷嘴直径低至100μm。假如在非常高的工作压力下运作，打印出的直径越小。印刷后，磷酸二氢铝在氢氧化钠中疑胶化，便于接着生产加工成气凝胶。在超临界萃取CO2除去有机溶剂以前，可对印刷的凝露开展疏水化烘干处理解决。印刷的二氧化硅气凝胶物件具备高比表面（751m2g-1）和极低导热率（15.9 mW m-1K-1），可用作热管理方法，作为热绝缘物和小型气泵并溶解挥发物有机物。结果以Additive ** nufacturing of silica aerogels题写发布在刊物《Nature》上

图1：根据立即撰写来增材二氧化硅气凝胶。a，用以二氧化硅气凝胶的立即黑墨水撰写的计划方案。纯墨（深蓝色）或用MnO 2金纳米颗粒（金）功能性的油墨根据微喷嘴气动式印刷。b，根据公称直径为410μm ，总流量为15 mm/s的锥形喷嘴从油墨SP2.5印刷的硅胶材料3D莲花。c – e，b凝结前（c），二氧化氮诱发的胶凝后（d）和干躁后（e）的凝胶剂相片。f，二氧化硅气凝胶的粒度分析。g，不一样油墨的剪切稀化个人行为。h，不一样油墨的储能技术（G '）和耗损（G ″）弹性模量与剪切内应力的关联。

创作者以高高保真和精密度（图2a–c，e）打印出了各种各样气凝胶物件，包含蜂窝状，3D晶格常数和双层持续膜。印刷的长丝保存明直径（例如327±6μm）的环形截面。油墨的粘滞性可以融入于具备比较大垂悬和跨距比较大的敞开式构造，黏度较高（图2d）;高粘度使长丝可以结合成持续没有缝隙的膜（图2e）。初始的气凝胶颗粒物被置入到由二氧化硅胶体溶液衍化出密度低气凝胶栽培基质。这种较高密度的晶体（图2f–i）产生的自锁互锁颗粒物沉积是立即颗粒物触碰的（图2j–l）。

图2：3D打印出的物件，他们的宏观构造和选中的特点。a，一个10层蜂窝状，410μm锥形喷嘴。b，33层的方格正方体。c，各种各样3D图案设计。d，晶格常数的扫描仪透射电镜（SEM）图象。e，双层持续膜。f，印刷长丝的外表层。g，2个细条中间的页面。H，以g表明的橘色框地区的变大倍率，置入密度低气凝胶栽培基质（浅灰）中的自锁互锁气凝胶颗粒物（深灰）。i，是h中橘色框地区的变大倍数，突显了2个气凝胶相。j，印刷的气凝胶钨丝的计算机断层扫描切成片。k，以j表明的橘色框地区的3D容积3D渲染。l，x – y切成片。m，在77 K下的N 2吸附等温线。n，直径遍布的Barrett–Joyner–Halenda（ ** H）剖析。o，热重分析。

印刷的物件由疏水性二氧化硅气凝胶构成，有机溶剂可彻底清洗黏度调理剂。密度高的和密度低气凝胶相是联接的次级线圈二氧化硅颗粒物和高介孔率的互联网（图2i）。二氧化硅气凝胶粉末状原材料的氮吸附等温线与印刷物类似。比表面从697 m2g-1提升到751m2g-1，均值直径从11.8 nm提升到12.6 nm（图2m，n）。较高表观密度（0.18±0.02 g cm-3）与密度低二氧化硅气凝胶相在全部物件中的生长发育相关。中孔容积大（3.13 cm3g-1）限定了气相色谱传输。印刷后的气凝胶在25°C下的导热系数为15.9 mW m-1K-1，远小于静放气体的导热系数、基本绝缘层材料及其目前为止报导的一切3D打印出物件。印刷后的气凝胶比二氧化硅气凝胶粉末状原材料具备更多的耐热性和机械设备工艺性能（图2o）。

为了更好地演试二氧化硅气凝胶的绝缘层运用，创作者将规格和壁厚可调整的气凝胶打印出到了板材上（图3a，b）。当置放在发热板（150°C）或冰块儿（-20°C）处时，热像仪表明温度转变与气凝胶复合绝缘子的薄厚相关（图3c，d）。融合适度置放的传热体和散热器，二氧化硅气凝胶的极低传热性及其生产制造繁杂几何图形形态为热管理方法带来了新的机遇，如假体、智能穿戴设备、微机电系统、智能机和光学仪器。二氧化硅气凝胶还可以用在根源处防护发热量的热管理方法中，创作者将印刷的气凝胶绝缘物帽盖与热管散热器紧密结合，这可缓解电路板上的部分网络热点，使发烫部件可以安全性触碰（图3e–l）。结果证实，热敏电阻部件可以获得维护。含有印刷气凝胶帽的曝露于触碰热的电力电容器的部分温度仅为36°C，而没有防护层的电力电容器的部分温度为75°C，含有由同样薄厚的传统式复合绝缘子做成的帽的48°C 。

图3：热管理方法。a，疑胶列阵的制定和3D打印出。b，数字图像。c，超出0.5钟头的均衡后放到发热板上的红外线图象。d，在超出0.5钟头的均衡后放置冰块儿处时的红外线图象。e，i，打印出的气凝胶成分的手稿（e）和相片（i）。f – h，j – l，在稳压电源上既不沉都没有绝缘物的线路板的相片（f – h）和红外线图象（j – l），铝板为散热器（g，k），与此同时具备散热器和绝缘物（h，l）。

二氧化硅气凝胶的另一个运用是应用气凝胶膜做为热挥发打气泵。当热梯度被增加到毛细血管，其直径贴近汽体分子结构的真空磁导率长短的热蒸发造成汽体流（图4A）。二氧化硅气凝胶因在其中孔容积金刚级传热系数低而变成Knudsen水下混凝土的理想化膜原材料，可保持热梯度。然后，创作者印刷了薄的二氧化硅气凝胶膜，其高层包括（灰黑色）斜方锰矿MnO2纳米粒子（图4b-e）。遭受光辐射后，膜的灰黑色MnO2一侧温度上升，为此在膜上全自动产生由热挥发推动的气旋（图4f），对挥发物有机物（VOC）开展光热催化反应溶解（图4g）。

图4：外置光驱热挥发打气泵，与此同时VOC溶解。a，热植物呼吸作用。温度场会造成汽体分子结构从这当中孔膜的冷（深蓝色）侧挪到热（鲜红色）侧。b，两层二氧化硅气凝胶膜。c，二种黑墨水中间的页面的SEM图象。d，c中橘色框地区的变大图，表明二氧化硅气凝胶中的MnO 2遍布。e，d中橘色框地区的变大图，表明MnO 2颗粒物。f，外置光驱特性。g，热蒸发全过程中二甲苯的催化氧化溶解。

创作者明确提出的增材方式可制造出高精密和样子高高保真的二氧化硅气凝胶物件，并具备别的作用和优异的材质特点，尤其是极低导热率和高介孔性。3D打印出全过程防止了加减法生产制造的问题，并为二氧化硅气凝胶开拓了新的主要用途。创作者觉得针对保温材料，增材将完成小型化运用（例如便携式设备和通讯产品），进而提升工业生产和工程建筑保温材料中原有的二氧化硅气凝胶销售市场。除此之外，可以轻轻松松地将颗粒物或高聚物基团融合到油墨中，为此生产制造具备室内空间转变作用的物件。这使二氧化硅气凝胶在电气设备，带磁，电子光学，有机化学和医药学运用的潜力巨大，还可将气凝胶相被集成化到优秀的多原材料构架中。