Nature重磅｜微挤出式3D打印世界上最轻的材料

第一作者：Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira
通讯作者：Wim J. Malfait，Shanyu Zhao
通讯单位：瑞士联邦材料科学与技术实验室

本文要点：
1. 通过微挤出式3D打印SiO2气凝胶。
2. 验证了SiO2气凝胶物体的多功能性和应用前景。

气凝胶是一种介孔溶胶-凝胶材料，是世界上密度最小的固体，具有高比表面积（500–1,000 m2g-1）和低密度（0.001–0.200 g cm-3）等特点。气凝胶是由空气或自由空间与陶瓷，金属，颗粒，粉末或碳固体介质组成，其中空气或自由空间的比例> 99％。因此，气凝胶可以非常轻。除此之外，由于其导热率低至12 mW m-1K-1，所以又被称作超级绝缘体。

目前，各种不同材质的气凝胶被相继开发出来，并取得了令人瞩目的优异性能。其中，二氧化硅气凝胶是迄今为止研究最多和使用最广泛的气凝胶。二氧化硅气凝胶在工业和建筑保温材料中被大量使用，每年市场约2.2亿美元。

尽管气凝胶具有极高的强度/重量比，但是，气凝胶具有本征的易碎性，难以通过常规的机械加工来制造小型物体，导致其大规模应用之路并不顺畅。为了解决这个问题，研究人员发现3D打印在构建气凝胶物体方面独具优势，目前已经在石墨烯、氧化石墨烯、氮化碳、金、纤维素等气凝胶领域得到了良好的验证。

但是，对于纯SiO2气凝胶而言，3D打印依然充满挑战，可谓几乎不可能！

有鉴于此，瑞士联邦材料科学与技术实验室Wim J. Malfait和 Shanyu Zhao等人报道了一种可以通过微挤出式3D打印SiO2气凝胶物体的方法，从而为SiO2气凝胶的规模化应用打开了新方向。

图1. 基本流程

要点1. 制备过程
研究人员将二氧化硅气凝胶粉末（粒度为4–20μm）置于1-戊醇基二氧化硅溶胶中形成浆液，通过微挤出式3D打印工艺打印纯二氧化硅气凝胶物体。由于戊醇的蒸气压较低（比水的蒸气压低18倍，20°C），可防止干燥引起的表面损坏，即使延长打印时间也能维持稳定。对于小型应用，使用工业级二氧化硅气凝胶粉所产生的额外成本可以忽略不计。

图2. 3D打印纯二氧化硅气凝胶物体

要点2. 制备关键
高含量的凝胶颗粒（至少40 V％）：使得墨水表现出剪切稀化现象，以满足直接进行墨水书写的需求。墨水由直径约10μm的气凝胶颗粒组成，悬浮在溶胶中，二氧化硅纳米颗粒的直径约10 nm。

添加聚（丙二醇）双（2-氨基丙基醚）：增加油墨的粘度，以防止固液相分离，并改善了溶胶-凝胶转变过程中的均质性，墨水的保质期可达到20天以上。
氨蒸汽活化：在被打印后，将之前掺入油墨中的硅溶胶用氨蒸汽活化，以粘合气凝胶颗粒并用硅胶填充空隙，便于随后加工成气凝胶

要点3. 应用潜力
纯二氧化硅气凝胶物体具有典型的二氧化硅气凝胶的高比表面积（751 m2 g-1）和超低导热率（15.9mW m-1 K-1）。此外，研究发现，这种纯二氧化硅气凝胶物体可以简便地和功能纳米颗粒相复合使用，3D打印后的二氧化硅气凝胶物体在热管理，微型气泵降解挥发性有机化合物等方面表现出诱人的应用前景。

图3. 热管理应用

图4. VOC降解应用

小结
总之，本研究发展了一种3D打印SiO2气凝胶宏观物体的新方法，也是微挤出式3D打印工艺的全新应用方向，为SiO2气凝胶的规模化应用打开了一扇大门。

参考文献
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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