L'aérogel est un excellent isolant thermique. Jusque là, cependant, il a surtout été utilisé à grande échelle, par exemple en technologie environnementale, dans des expériences physiques ou en catalyse industrielle. Des chercheurs de l'Empa ont réussi à rendre les aérogels accessibles à la microélectronique et à la mécanique de précision :un article dans le dernier numéro de la revue scientifique La nature montre comment des pièces imprimées en 3D faites d'aérogels de silice et de matériaux composites de silice peuvent être fabriquées avec une grande précision. Cela ouvre de nombreuses nouvelles possibilités d'application dans l'industrie de haute technologie, par exemple en microélectronique, robotique, biotechnologie et technologie des capteurs.

Derrière le simple titre « Fabrication additive d'aérogels de silice », l'article a été publié le 20 juillet dans la célèbre revue scientifique La nature —un développement révolutionnaire est caché. Les aérogels de silice sont légers, mousses poreuses qui offrent une excellente isolation thermique. En pratique, ils sont également connus pour leur comportement cassant, c'est pourquoi ils sont généralement renforcés de fibres ou de polymères organiques ou biopolymères pour des applications à grande échelle. En raison de leur comportement de rupture fragile, il n'est pas non plus possible de scier ou de fraiser de petits morceaux à partir d'un bloc d'aérogel plus grand. La solidification directe du gel dans des moules miniaturisés n'est pas non plus fiable, ce qui entraîne des taux de rebut élevés. C'est pourquoi les aérogels n'ont guère été utilisables pour des applications à petite échelle.

Stable, microstructures bien formées

L'équipe de l'Empa dirigée par Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira, Wim Malfait et Matthias Koebel ont maintenant réussi à produire stable, microstructures bien formées à partir d'aérogel de silice en utilisant une imprimante 3D. Les structures imprimées peuvent être aussi fines qu'un dixième de millimètre. La conductivité thermique de l'aérogel de silice est légèrement inférieure à 16 mW/(m*K) - seulement la moitié de celle du polystyrène et même nettement inférieure à celle d'une couche d'air immobile, 26 mW/(m*K). À la fois, le nouvel aérogel de silice imprimé a des propriétés mécaniques encore meilleures et peut même être percé et fraisé. Cela ouvre de toutes nouvelles possibilités pour le post-traitement des moulages d'aérogel imprimés en 3D.

Avec la méthode, pour laquelle une demande de brevet a été déposée, il est possible d'ajuster précisément les propriétés d'écoulement et de solidification de l'encre de silice à partir de laquelle l'aérogel est ensuite produit, de sorte que les structures autoportantes et les membranes ultra-fines puissent être imprimées. A titre d'exemple de structures en surplomb, les chercheurs ont imprimé les feuilles et les fleurs d'une fleur de lotus. L'objet de test flotte à la surface de l'eau en raison des propriétés hydrophobes et de la faible densité de l'aérogel de silice, tout comme son modèle naturel. La nouvelle technologie permet également pour la première fois d'imprimer des microstructures multi-matériaux complexes en 3D.

Matériaux d'isolation pour la microtechnique et la médecine

Avec de telles structures, il est maintenant relativement trivial d'isoler thermiquement même les plus petits composants électroniques les uns des autres. Les chercheurs ont pu démontrer de manière impressionnante le blindage thermique d'un composant sensible à la température et la gestion thermique d'un "point chaud" local. Une autre application possible est le blindage des sources de chaleur à l'intérieur des implants médicaux, qui ne doit pas dépasser une température de surface de 37 degrés afin de protéger les tissus corporels.

Une membrane d'aérogel fonctionnelle

L'impression 3D permet de produire des combinaisons multicouches/multi-matériaux de manière beaucoup plus fiable et reproductible. De nouvelles structures fines d'aérogel deviennent réalisables et ouvrent de nouvelles solutions techniques, comme le montre un deuxième exemple d'application : En utilisant une membrane d'aérogel imprimée, les chercheurs ont construit une pompe à essence « thermo-moléculaire ». Cette pompe de perméation fonctionne sans aucune pièce mobile et est également connue de la communauté technique sous le nom de pompe Knudsen, du nom du physicien danois Martin Knudsen. Le principe de fonctionnement repose sur le transport restreint de gaz dans un réseau de pores nanométriques ou de canaux unidimensionnels dont les parois sont chaudes d'un côté et froides de l'autre. L'équipe a construit une telle pompe à partir d'aérogel, qui a été dopée sur une face avec des nanoparticules d'oxyde de manganèse noir. Lorsque cette pompe est placée sous une source lumineuse, il devient chaud du côté obscur et commence à pomper des gaz ou des vapeurs de solvant.

Purification de l'air sans pièces mobiles

Ces applications montrent les possibilités de l'impression 3D de manière impressionnante :l'impression 3D transforme l'aérogel de matériau haute performance en un matériau de construction pour membranes fonctionnelles qui peut être rapidement modifié pour s'adapter à un large éventail d'applications. La pompe Knudsen, qui est conduit uniquement par la lumière du soleil, peut faire plus que pomper :si l'air est contaminé par un polluant ou une toxine environnementale comme le solvant toluène, l'air peut circuler plusieurs fois à travers la membrane et le polluant est chimiquement décomposé par une réaction catalysée par les nanoparticules d'oxyde de manganèse. Tellement alimenté par le soleil, Les solutions autocatalytiques sont particulièrement intéressantes dans le domaine de l'analyse et de la purification de l'air à très petite échelle en raison de leur simplicité et de leur durabilité.

Les chercheurs de l'Empa recherchent désormais des partenaires industriels qui souhaitent intégrer des structures d'aérogel imprimées en 3D dans de nouvelles applications de haute technologie.