25.08.2020 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

Aerogel - el material microestructural del futuro

Numerosas nuevas posibilidades de aplicación en la industria de alta tecnología, por ejemplo en microelectrónica, robótica, biotecnología y tecnología de sensores

Aerogel es un excelente aislante térmico. Sin embargo, hasta ahora se ha utilizado principalmente a gran escala, por ejemplo en la tecnología ambiental, en experimentos físicos o en la catálisis industrial. Los investigadores de Empa han logrado que los aerogeles sean accesibles para la microelectrónica y la ingeniería de precisión: Un artículo en el último número de la revista científica "Nature" muestra cómo las piezas impresas en 3D hechas de aerogeles de sílice y de materiales compuestos de sílice pueden fabricarse con gran precisión. Esto abre numerosas posibilidades de nuevas aplicaciones en la industria de alta tecnología, por ejemplo en la microelectrónica, la robótica, la biotecnología y la tecnología de sensores.

Detrás del simple titular "Fabricación de aditivos para aerogeles de sílice" - el artículo fue publicado el 20 de julio en la revista científica "Nature" - se esconde un desarrollo innovador. Los aerogeles de sílice son espumas ligeras y porosas que proporcionan un excelente aislamiento térmico. En la práctica, también son conocidos por su comportamiento quebradizo, por lo que suelen estar reforzados con fibras o con biopolímeros u orgánicos para aplicaciones a gran escala. Debido a su comportamiento de fractura frágil, tampoco es posible serrar o fresar piezas pequeñas de un bloque de aerogel más grande. La solidificación directa del gel en moldes miniaturizados tampoco es confiable, lo que resulta en altas tasas de desecho. Por eso los aerogeles apenas han sido utilizables para aplicaciones a pequeña escala.

Microestructuras estables y bien formadas

El equipo de Empa dirigido por Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait y Matthias Koebel ha logrado producir microestructuras estables y bien formadas a partir de aerogel de sílice utilizando una impresora 3D. Las estructuras impresas pueden ser tan finas como una décima de milímetro. La conductividad térmica del aerogel de sílice es poco menos de 16 mW/(m*K) - sólo la mitad de la del poliestireno e incluso significativamente menor que la de una capa de aire no móvil, 26 mW/(m*K). Al mismo tiempo, el novedoso aerogel de sílice impreso tiene propiedades mecánicas aún mejores e incluso puede ser perforado y fresado. Esto abre posibilidades completamente nuevas para el post-procesamiento de las molduras de aerogel impreso en 3D.

Con este método, para el que se ha presentado ahora una solicitud de patente, es posible ajustar con precisión el flujo y las propiedades de solidificación de la tinta de sílice a partir de la cual se produce posteriormente el aerogel, de manera que se puedan imprimir tanto estructuras autoportantes como membranas finas como obleas. Como ejemplo de estructuras salientes, los investigadores imprimieron hojas y flores de una flor de loto. El objeto de prueba flota en la superficie del agua debido a las propiedades hidrofóbicas y a la baja densidad del aerogel de sílice, al igual que su modelo natural. La nueva tecnología también permite por primera vez imprimir complejas microestructuras multimateriales en 3D.

Materiales de aislamiento para la microtecnología y la medicina

Con tales estructuras es ahora comparativamente trivial aislar térmicamente incluso los más pequeños componentes electrónicos entre sí. Los investigadores pudieron demostrar el blindaje térmico de un componente sensible a la temperatura y la gestión térmica de un "punto caliente" local de manera impresionante. Otra posible aplicación es el blindaje de las fuentes de calor dentro de los implantes médicos, que no debe superar una temperatura superficial de 37 grados para proteger el tejido corporal.

Una membrana funcional del aerogel

La impresión en 3D permite producir combinaciones multicapa/multi-material de forma mucho más fiable y reproducible. Las nuevas estructuras finas de aerogel se hacen factibles y abren nuevas soluciones técnicas, como muestra un segundo ejemplo de aplicación: Utilizando una membrana de aerogel impresa, los investigadores construyeron una bomba de gas "termomolecular". Esta bomba de permeación se maneja sin ninguna pieza móvil y también es conocida por la comunidad técnica como una bomba Knudsen, llamada así en honor al físico danés Martin Knudsen. El principio de funcionamiento se basa en el transporte restringido de gas en una red de poros a nanoescala o canales unidimensionales cuyas paredes están calientes en un extremo y frías en el otro. El equipo construyó una bomba de este tipo a partir de aerogel, que fue dopado por un lado con nanopartículas de óxido de manganeso negro. Cuando esta bomba se coloca bajo una fuente de luz, se calienta en el lado oscuro y comienza a bombear gases o vapores de disolvente.

Purificación del aire sin piezas móviles

Estas aplicaciones muestran las posibilidades de la impresión en 3D de una manera impresionante: la impresión en 3D convierte el material de alto rendimiento aerogel en un material de construcción para membranas funcionales que puede ser modificado rápidamente para adaptarse a una amplia gama de aplicaciones. La bomba Knudsen, que es impulsada únicamente por la luz solar, puede hacer más que sólo bombear: Si el aire está contaminado con un contaminante o una toxina ambiental como el disolvente tolueno, el aire puede circular a través de la membrana varias veces y el contaminante se descompone químicamente mediante una reacción catalizada por las nanopartículas de óxido de manganeso. Estas soluciones autocatalíticas alimentadas por el sol son particularmente atractivas en el campo del análisis y la purificación del aire a muy pequeña escala debido a su simplicidad y durabilidad.

Los investigadores de Empa están buscando ahora socios industriales que quieran integrar las estructuras de aerogel impreso en 3D en nuevas aplicaciones de alta tecnología.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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