סיליקה אירוג'ל משופרת מבחינה אסתטית באמצעות שילוב של תחריט לייזר וצבעים
Summary
פרוטוקול זה מתאר שיטה לחריטת טקסט, דפוסים ותמונות על פני השטח של מונוליתים של אירוגל סיליקה בצורה מקורית וצבעונית והרכבת האירוג’לים לעיצובי פסיפס.
Abstract
הליך לשיפור אסתטי של מונוליתים אירוגל סיליקה על ידי חריטה בלייזר ושילוב צבעים מתואר בכתב יד זה. בשיטת מיצוי סופר-ביקורתית מהירה, ניתן לפברק מונולית אירוגל סיליקה גדול (10 ס”מ על 11 ס”מ על 1.5 ס”מ) בתוך כ-10 שעות. צבעים המשולבים בתערובת מבשר גורמים לאירוגלים צהובים, ורודים וכתומים. טקסט, דפוסים ותמונות יכולים להיות חרטים על פני השטח (או המשטחים) של מונולית האווירוגל מבלי לפגוע במבנה בתפזורת. ניתן להשתמש בחריטה בלייזר כדי לחתוך צורות מהאירוג’ל וליצור פסיפסים צבעוניים.
Introduction
סיליקה aerogel הוא ננו נקבובי, שטח פנים גבוה, חומר בידוד אקוסטי עם מוליכות תרמית נמוכה שניתן להשתמש במגוון של יישומים מאיסוף אבק חלל לבניית חומר בידוד1,2. כאשר מיוצר בצורה מונוליטית, aerogels סיליקה הם שקופים וניתן להשתמש בהם כדי להפוך חלונות מבודדים מאוד3,4,5.
לאחרונה, הוכחנו כי ניתן לשנות את המראה של אירוג’ל סיליקה על ידי חריטה על או חיתוך דרך פני השטח באמצעות מערכת חריטה לייזר6,7 מבלי לגרום נזק מבני בתפזורת aerogel. זה יכול להיות שימושי עבור ביצוע שיפורים אסתטיים, הדפסת מידע מלאי עיבוד מונוליתים aerogel לצורות שונות. לייזרים Femtosecond הוכחו לעבוד עבור גולמי “מיקרו עיבוד שבבי” של אירוגלים8,9,10,11; עם זאת, הפרוטוקול הנוכחי מדגים את היכולת לשנות את פני השטח של אירוגלים עם מערכת חריטה לייזר פשוטה. כתוצאה מכך, פרוטוקול זה חל באופן כללי על הקהילות האמנותיות והטכניות.
ניתן גם לשלב צבעים בתערובת המבשרת הכימית של האירוג’ל ובכך ליצור אירוג’לים מסוממים בצבע עם מגוון גוונים. שיטה זו שימשה לייצור חיישנים כימיים12,13, כדי לשפר את זיהוי Cerenkov14, ומסיבות אסתטיות בלבד. כאן, אנו מדגימים את השימוש בצבעים ותחריט לייזר כדי להכין אירוג’לים אסתטיים.
בסעיף הבא, אנו מתארים נהלים להכנת מונוליתים אירוגל סיליקה גדולים, שינוי הליך הכנת המונולית לשלב צבעים, חריטה של טקסט, דפוסים ותמונות על פני השטח של מונולית אירוגל, וחיתוך צורות ממונוליתים צבועים גדולים שיורכבו לפסיפסים.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מדגים כיצד ניתן להשתמש בתחריט לייזר והכללה של צבעים כדי להכין חומרי אירוג’ל אסתטיים.
ביצוע מונוליתים אירוגל גדול (10 ס”מ x 11 ס”מ על 1.5 ס”מ) דורש הכנת עובש נכונה באמצעות ליטוש, ניקוי ויישום שומן כדי למנוע את האירוג’ל מלהידבק לתבנית וסדקים גדולים מלהיווצר. חלקי התבנית ב…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להכיר בקרן המחקר של הפקולטה של מכללת יוניון, בתוכנית מענק מחקר לסטודנטים ובתוכנית המחקר לתואר ראשון בקיץ לתמיכה כספית בפרויקט. המחברים גם רוצים להכיר את ג’ואנה סנטוס על עיצוב התבנית בת שלושת החלקים, כריס אוונסיאן להדמיית SEM, רונלד טוצ’י על החריטה על משטח האווירוגל המעוקל, וד”ר יואניס מיכאלודיס להשראה ועבודה ראשונית על פרויקט החריטה וכן על מתן תמונת קורוס ואיוגל גלילי.
Materials
| 2000 grit sandpaper | Various | ||
| 50W Laser Engraver | Epilog Laser | Any laser cutter is suitable | |
| Acetone | Fisher Scientific www.fishersci.com | A18-20 | Certified ACS Reagent Grade |
| Ammonium Hydroxide (aqueous ammonia) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A669S212 | Certified ACS Plus, about 14.8N, 28.0-20.0 w/w% |
| Beakers | Purchased from Fisher Scientific | Any glass beaker is suitable. | |
| Deionized Water | On tap in house | ||
| Digital balance | OHaus Explorer Pro | Any digital balance is suitable. | |
| Disposable cleaning wipes | Fisher Scientific www.fishersci.com | 06-666 | KimWipe |
| Drawing Software | CorelDraw Graphics Suite | CorelDraw | |
| Flexible Graphite Sheet | Phelps Industrial Products | 7500.062.3 | 1/16" thick |
| Fluorescein | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | F2456 | Dye content ~95% |
| Foam paint brush | Various | 1-2 cm size | |
| High Vacuum Grease | Dow Corning | ||
| Hydraulic Hot Press | Tetrahedron www.tetrahedronassociates.com | MTP-14 | Any hot press with temperature and force control will work. Needs maximum temperature of ~550 F and maximum force of 24 tons. |
| Laser Engraver | Epilogue Laser | Helix – 24 | 50 W |
| Methanol (MeOH) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A412-20 | Certified ACS Reagent Grade, ≥99.8% |
| Mold | Fabricated in House | Fabricate from cold-rolled steel or stainless steel. | |
| Paraffin Film | Fisher Scientific www.fishersci.com | S37441 | Parafilm M Laboratory Film |
| Rhodamine-6G Rhodamine-6g FlouresceinRhodamine-6g |
Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 20,132-4 | Dye content ~95% |
| Rhodamine-B Rhodamine-6g FlouresceinRhodamine-6g |
Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | R-953 | Dye content ~80% |
| Soap to clean mold | Various | ||
| Stainless Steel Foil | Various | .0005" thick, 304 Stainless Steel | |
| Tetramethylorthosilicate (TMOS) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 218472-500G | 98% purity, CAS 681-84-5 |
| Ultrasonic Cleaner | FisherScientific FS6 | 153356 | Any sonicator is suitable. |
| Vacuum Exhaust system | Purex | 800i | Any exhaust system is suitable. |
| Variable micropipettor, 100-1000 µL | Manufactured by Eppendorf, purchased from Fisher Scientific www.fishersci.com | S304665 | Any 100-1000 µL pipettor is suitable. |
References
- Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
- Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of aerogels and their applications. Chemical Reviews. 102 (11), 4243-4266 (2002).
- Zinzi, M., et al. Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel. Solar Energy. 183, 30-39 (2019).
- Bhuiya, M. M. H., et al. Preparation of monolithic silica aerogel for fenestration applications: scaling up, reducing cycle time, and improving performance. Industrial & Engineering Chemistry Research. 55 (25), 6971-6981 (2016).
- Jelle, B. P., et al. Fenestration of today and tomorrow: A state-of-the-art review and future research opportunities. Solar Energy Materials and Solar Cells. 96, 1-28 (2012).
- Michalous, I., Carroll, M. K., Kupiec, S., Cook, K., Anderson, A. M. Facile method for surface etching of silica aerogel monoliths. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 87 (1), 22-26 (2018).
- Stanec, A. M., Anderson, A. M., Avanessian, C., Carroll, M. K. Analysis and characterization of etched silica aerogels. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 94, 406-415 (2020).
- Sun, J., Longtin, J. P., Norris, P. M. Ultrafast laser micromachining of silica aerogels. Journal of Non-Crystalline Solids. 281 (1-3), 39-47 (2001).
- Bian, Q., et al. Micromachining of polyurea aerogel using femtosecond laser pulses. Journal of Non-Crystalline Solids. 357 (1), 186-193 (2011).
- Yalizay, B., et al. Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation. Optical Materials. 47, 478-483 (2015).
- Vainos, N. A., Karoutsos, V., Mills, B., Eason, R. W., Prassas, M. Isotropic contractive scaling of laser written microstructures in vitrified aerogels. Optical Materials Express. 6 (12), 3814-3825 (2016).
- Plata, D. L., et al. Aerogel-platform optical sensors for oxygen gas. Journal of Non- Crystalline Solids. 350, 326-335 (2004).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Aegerter, M., Leventis, N., Koebel, M. Aerogels as platforms for chemical sensors. Aerogels Handbook. Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies. , (2011).
- Bockhorst, M., Heinloth, K., Pajonk, G. M., Begag, R., Elaloui, E. Fluorescent dye doped aerogels for the enhancement of Cerenkov light detection. Journal of Non-Crystalline Solids. 186, 388-394 (1995).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing silica aerogel monoliths via a rapid supercritical extraction method. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (84), e51421 (2014).
- Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A fast supercritical extraction technique for aerogel fabrication. Journal of Non-Crystalline Solids. 350, 238-243 (2004).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and device for fabricating aerogels and aerogel monoliths obtained thereby. U.S. Patent. , (2011).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and device for fabricating aerogels and aerogel monoliths obtained thereby. U.S. Patent. , (2008).
- Estok, S. K., Hughes, T. A., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Fabrication and characterization of TEOS-based silica aerogels prepared using rapid supercritical extraction. Journal of Sol-gel Science and Technology. 70 (3), 371-377 (2014).
- Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a rapid supercritical extraction aerogel fabrication process: Prediction of thermodynamic conditions during processing. Journal of Non-Crystalline Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).
- Bouck, R. M., Anderson, A. M., Prasad, C., Hagerman, M. E., Carroll, M. K. Cobalt-alumina sol gels: Effects of heat treatment on structure and catalytic ability. Journal of Non-Crystalline Solids. 453, 94-102 (2016).
- Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Characterization of alumina and nickel-alumina aerogels prepared via rapid supercritical extraction. Polymer Preprints. 52 (1), 250-251 (2011).
- Tobin, Z. M., et al. Preparation and characterization of copper-containing alumina and silica aerogels for catalytic applications. Journal of Sol-gel Science and Technology. 84 (3), 432-445 (2017).
- Tsou, P., Brownlee, D. E., Glesias, R., Grigoropoulos, C. P., Weschler, M. Cutting silica aerogel for particle extraction. Lunar and Planetary Science XXXVI. Part 19. , (2005).
- Ishii, H. A., et al. Rapid extraction of dust impact tracks from silica aerogel by ultrasonic microblades. Meteoritics & Planetary Science. 40 (11), 1741-1747 (2005).
- Ishii, H. A., Bradley, J. P. Macroscopic subdivision of silica aerogel collectors for sample return missions. Meteoritics & Planetary Science. 41 (2), 233-236 (2006).
