Aerojel: Geleceğin Mikro Yapısal Malzemesi
Fotoğraf: Araştırmacılar, ince aerojel yapılarının 3D baskıda üretilebileceğini göstermek için aerojelden yapılmış bir lotus çiçeği bastılar. Kaynak: Empa
Aerojel mükemmel bir ısı yalıtkanıdır. Bununla birlikte, şimdiye kadar, çevre teknolojisinde, fiziksel deneylerde veya endüstriyel katalizde büyük ölçekte kullanılmıştır. Empa araştırmacıları artık aerojelleri mikroelektronik ve hassas mühendislik için erişilebilir hale getirmeyi başardılar: Silika aerojellerden ve silika kompozit malzemelerden yapılmış 3D baskılı parçaların yüksek hassasiyetle nasıl üretilebileceğini gösteriyorlar.
Makale, ünlü bilimsel dergi “Nature”da yayımlanan “Silika Aerojellerin Katmanlı Üretimi” başlığının arkasında çığır açan bir gelişme gizlidir. Silika aerojeller, mükemmel ısı yalıtımı sağlayan hafif, gözenekli köpüklerdir. Uygulamada kırılgan davranışlarıyla da bilinirler, bu nedenle genellikle büyük ölçekli uygulamalar için lifler, organik veya biyopolimerler ile güçlendirilirler. Gevrek kırılma davranışları nedeniyle, daha büyük bir aerojel bloğundan küçük parçaları kesmek veya öğütmek mümkün değildir. Minyatür kalıplarda jelin doğrudan katılaştırılması güvenilir değildir – yüksek hurda oranlarına neden olur. Aerojellerin küçük ölçekli uygulamalar için neredeyse hiç kullanılmamasının nedeni budur.
Yeni malzeme, mikroelektronik , robotik , biyoteknoloji ve sensör teknolojisi gibi yüksek teknoloji endüstrisinde çok sayıda yeni uygulama imkanı sunuyor.
Kararlı, İyi Şekillendirilmiş Mikro Yapılar
Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait ve Matthias Koebel liderliğindeki Empa ekibi, bir 3D yazıcı kullanarak silika aerojelden kararlı ve iyi şekilli mikro yapılar üretmeyi başardı. Basılı yapılar, bir milimetrenin onda biri kadar ince olabilir. Silika aerojelin termal iletkenliği 16 mW/(m*K)’nın hemen altındadır – polistirenin sadece yarısı ve hatta hareketsiz bir hava tabakası olan 26 mW/(m*K)’dan önemli ölçüde daha azdır. Aynı zamanda, yeni baskılı silika aerojel daha iyi mekanik özelliklere sahiptir ve hatta delinebilir ve öğütülebilir. Bu, 3D baskılı aerojel kalıpların sonradan işlenmesi için tamamen yeni olanaklar sunar.
Patent başvurusunun yapıldığı yöntemle, aerojelin daha sonra üretildiği silika mürekkebin akış ve katılaşma özelliklerini hassas bir şekilde ayarlamak mümkündür, böylece hem kendinden destekli yapılar hem de ince membranlar basılabilir.
Yapıların bir örneği olarak, araştırmacılar bir lotus çiçeğinin yapraklarını ve çiçeklerini bastırdılar. Silika aerojelin hidrofobik özellikleri ve düşük yoğunluğu nedeniyle test nesnesi su yüzeyinde yüzer – tıpkı doğal modeli gibi. Yeni teknoloji aynı zamanda karmaşık 3D çok malzemeli mikro yapıların ilk kez basılmasını mümkün kılıyor.
Mikroteknoloji ve Tıp için Yalıtım Malzemeleri
Bu tür yapılarla en küçük elektronik bileşenleri bile birbirinden termal olarak izole etmek artık nispeten önemsizdir. Araştırmacılar, sıcaklığa duyarlı bir bileşenin termal korumasını ve yerel bir “sıcak noktanın” termal yönetimini etkileyici bir şekilde gösterebildiler. Bir başka olası uygulama, vücut dokusunu korumak için 37 derecelik bir yüzey sıcaklığını geçmemesi gereken tıbbi implantların içindeki ısı kaynaklarının korunmasıdır.
Fonksiyonel Bir Aerojel Membran
3D baskı, çok katmanlı/çok malzeme kombinasyonlarının çok daha güvenilir ve tekrarlanabilir bir şekilde üretilmesini sağlar. Yeni aerojel ince yapılar için uygulanabilir hale gelir ve ikinci bir uygulama örneğinin gösterdiği gibi yeni teknik çözümlere yol açar: Araştırmacılar basılı bir aerojel membran kullanarak bir “termos-moleküler” gaz pompası inşa ettiler. Bu permeasyon pompası, herhangi bir hareketli parça olmadan çalışır ve teknik topluluk tarafından Danimarkalı fizikçi Martin Knudsen’in adını taşıyan Knudsen pompası olarak da bilinir. Çalışma prensibi, nano ölçekli gözenekler veya duvarların bir ucunda sıcak ve diğerinde soğuk olduğu tek boyutlu kanallar ağındaki sınırlı gaz taşınmasına dayanır. Ekip, bir tarafta siyah manganez oksit nanopartikülleri ile katkılanan aerojelden böyle bir pompa yaptı. Bu pompa bir ışık kaynağının altına yerleştirildiğinde, karanlık tarafta ısınır ve gazları veya çözücü buharlarını pompalamaya başlar.
Hareketli Parçalar Olmadan Hava Temizleme
Bu uygulamalar, 3D baskının olanaklarını etkileyici bir şekilde göstermektedir: 3D baskı, yüksek performanslı malzeme aerojelini, geniş bir uygulama yelpazesine uyacak şekilde hızlıca değiştirilebilen fonksiyonel membranlar için bir yapı malzemesine dönüştürür. Yalnızca güneş ışığı ile çalıştırılan Knudsen pompası, pompalamaktan daha fazlasını yapabilir: Hava bir kirletici madde veya çözücü toluen gibi bir çevresel toksin ile kirlenmişse, hava membrandan birkaç kez dolaşabilir ve kirletici kimyasal olarak manganez oksit nanopartikülleri tarafından katalize edilen bir reaksiyonla parçalanır. Bu tür güneş enerjili, otokatalitik çözümler, sadeliği ve dayanıklılığı nedeniyle özellikle çok küçük ölçekte hava analizi ve arıtma alanında caziptir.
Artık Empa araştırmacıları, 3D baskılı aerojel yapılarını yeni yüksek teknoloji uygulamalarına entegre etmek isteyen endüstriyel ortaklar arıyorlar.
Kaynak: tectales.com
