气凝胶:未来的微观结构材料

什么是气凝胶，它们是由什么组成的?

气凝胶是用溶胶-凝胶法生产的纳米结构、开放多孔固体。首先，几种材料结合在一起形成一种透明液体，在液体中它们相互反应形成固体、纳米级颗粒，即所谓的胶体。这些粒子通过化学方式结合在一起，形成一个三维粒子网络结构。在这种由颗粒网络和孔隙液体组成的湿润凝胶中，液体被CO逐步取代₂在压力容器中。容器被加热，压力增加，CO₂变得吹毛求疵的。简而言之:有限公司₂具有气液特性，即超细凝胶结构可以干燥而不塌陷。

传统的气凝胶在10到100纳米之间。气凝胶的新定义包括纳米泡沫和几百纳米甚至几微米的伪纳米泡沫。

一般来说，任何可以凝胶的东西都可以变成气凝胶，无论是聚合物、碳、金属氧化物还是其他矿物材料。由二氧化硅制成的气凝胶是目前使用最广泛的一种。

气凝胶在哪里使用?

气凝胶是一种高渗透性的材料，根据其基本成分的不同，它们可以用于不同的应用。大多数气凝胶材料类别(除了二氧化硅和选定的聚合物气凝胶)还没有商业化。

今天，二氧化硅气凝胶主要用于隔热目的，因为它们耐热高达600°C，超轻，无毒和防水。它们隔绝了蒸汽管道或深海管道，因为在这些管道中，石油必须有较高的温度，才能轻易地从一个泵站流到另一个泵站。其他种类的气凝胶可用于催化或过滤环境中的污染颗粒或清除溢油。

而在药吗?

在医学中，果胶，纤维素和壳聚糖等生物聚合物是有趣的，因为它们是天然和可生物降解的物质。气凝胶也可用于所谓的定时释放产品：例如，当例如扑热阳离子等试剂内置在气凝胶中时，它不能结晶。微晶簇在纳米级孔中形成，即，该试剂假定不同的溶液和释放动力学。换句话说：当代理被锁定到气凝胶中的那一刻，可以控制其释放的时间。

在肺部应用中，该制剂会附着在气凝胶上，可用于喷雾剂等呼吸器。

你打印了一个3D硅气凝胶:这个项目有什么特别之处?

在一个最著名的地方新利18官方工艺过程是将热塑性材料熔化，然后冷却。由于熔融材料具有所需的粘度，所以要一层一层地打印物体。这对气凝胶不起作用。为了打印它们，我们需要油墨或其他可打印的配方，这些配方能在数小时内保持相同的粘度。在印刷过程中，油墨必须没有凝胶，但必须保持一种稀薄的液体。然而，如果它太薄，它会流遍整个表面。这种困境必须得到解决。

我们使用direct-ink-writing这种方法使我们能够精确地控制二氧化硅油墨的流动和凝胶特性，使离散结构和极薄膜都可以打印出来。我们将气凝胶粉颗粒悬浮在凝胶中，随后凝胶化。这包括一种液相，它含有颗粒状的固体和类似于牙膏的流动特性。这允许打印。

打印的气凝胶可以用在哪里?

多亏了我们的3D打印凝胶，我们现在可以用气凝胶生产非常精细的结构，而不需要从气凝胶块中切割它们，这在大多数情况下几乎是不可能的。这意味着我们现在有了制备复杂的3D气凝胶形状的全新可能性。

打印出来的结构厚度只有十分之一毫米。硅气凝胶的导热系数约为16mw /(m*K)。因此，我们可以从热上分离甚至微小的电子元件或层。我们可以使用导电气凝胶墨水在3D物体中打印和嵌入结构。另一种可能是将导电传感器元件用于人体传感器或可穿戴生物电子设备。

另一个应用领域是植入物中的热源的绝缘。电流产生高于体温的热量。局部热点发展，这可能是组织的问题。为了保护组织，植入物的表面不应超过37°C。气凝胶可以热绝缘植入物，并在较大的表面上排出热量或将其分配。

生物聚合物可以在支架中用来生长组织、细胞培养，有时甚至是器官。新利18官方3 d打印的骨材料也是有趣的。磷灰石可能是合适的凝胶在生物聚合物溶胶。

这些基本原理也适用于其他材料类组合。想象一下二氧化硅和生物聚合物的混合物，或者包含不同材料系统的不同墨水，创造出3D网络。简而言之，3D打印气凝胶结构可以集成在许多新的高科技应用中。

Matthias Koebel博士，EMPA的建筑能源材料和部件实验室负责人。

的研究”硅气凝胶添加剂制造发表在《自然》杂志上。

轮廓：
Matthias Koebel博士在布朗大学获得了物理和表面化学博士学位，随后在加州大学伯克利分校与Gabor Somorjai教授一起进行了为期两年的博士后研究。他的研究范围从制备溶胶-凝胶化学到软化学衍生的纳米材料的放大。他目前负责Empa的建筑能源材料和组件实验室，目标是下一代纳米多孔气凝胶材料的隔热和能源应用。他是知名的气凝胶专家，发表了近100篇科学文章，拥有多项专利，还是《气凝胶手册》的联合编辑。

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