Neue Anwendungen für Aerogele

Mikrobaustoff der Zukunft

27. August 2020, 13:02 Uhr   |  Hagen Lang

Mikrobaustoff der Zukunft
© Empa

Um zu zeigen, dass sich feine Aerogel-Strukturen im 3D-Druck fertigen lassen, druckten die Forscher eine Lotusblüte aus Aerogel.

Forscher der Schweizer Empa machen bislang großtechnisch eingesetzte Aerogele für die Mikroelektronik nutzbar. Für 3D-gedruckte Teile aus Silica-Aerogel und Silica-Komposit-Werkstoffen eröffnen sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Mikroelektronik, Robotik, Biotechnologie und Sensorik.

Silica-Aerogele sind thermisch sehr gut isolierende, leichte, poröse Schäume, die für ihr sprödes Verhalten bekannt sind, weshalb sie im Großmaßstab meist mit Fasern oder mit organischen bzw. Biopolymeren verstärkt werden. Aufgrund des spröden Bruchverhaltens ist es auch nicht möglich, kleine Stücke aus einem Aerogel-Block herauszusägen oder zu -fräsen. Auch das Erstarren von Aerogelen in miniaturisierten Gussformen gelingt nicht zuverlässig – was zu hohen Ausschussraten führt. Im Kleinmaßstab waren Aerogele daher bislang kaum einsetzbar.

Im Beitrag „Additive manufacturing of silica aerogels“ – der am 20. August in der Fachzeitschrift Nature erschien – werden vielversprechende Entwicklungen des Empa-Teams um Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait und Matthias Koebel beschrieben: Ihnen gelang es mit einem 3D-Drucker, kontrolliert stabile Mikrostrukturen aus Silica-Aerogel herzustellen.

 Die Wärmeleitfähigkeit des Silica-Aerogels ist mit knapp 16 mW/(m*K) nur halb so groß wie diejenige von Polystyrol und sogar deutlich kleiner als diejenige einer unbewegten Luftschicht mit 26 mW/(m*K). Das 3D-gedruckte Silica-Aerogel weist sehr gute mechanische Eigenschaften auf und lässt sich bohren und fräsen. Dadurch können die 3D-gedruckten Aerogel-Formteile nachbearbeitet werden. Mit der inzwischen zum Patent angemeldeten Methode ist es möglich, die Fließ- und Erstarrungseigenschaften der silikatischen Tinte, aus dem später das Aerogel entsteht, exakt einzustellen, sodass sowohl selbsttragende Strukturen als auch hauchdünne Membranen gedruckt werden können.

Mit diesen lassen sich kleinste elektronische Bauteile voneinander thermisch isolieren. Die Forscher konnten bereits die thermische Abschirmung eines temperaturempfindlichen Bauteils sowie das thermischen Management eines lokalen «Hot Spots» auf eindrückliche Art demonstrieren. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Abschirmung von Wärmequellen im Inneren medizinischer Implantate, die zum Schutz des Körpergewebes eine Oberflächentemperatur von 37 Grad nicht übersteigen sollten.

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