Ästhetisch verbessertes Silica-Aerogel durch Einbau von Laserätzen und Farbstoffen
Summary
Dieses Protokoll beschreibt eine Methode zum Ätzen von Text, Mustern und Bildern auf die Oberfläche von Silica-Aerogel-Monolithen in nativer und gefärbter Form und zum Zusammensetzen der Aerogele zu Mosaikdesigns.
Abstract
Ein Verfahren zur ästhetischen Verbesserung von Silica-Aerogel-Monolithen durch Laserätzen und Einarbeiten von Farbstoffen wird in diesem Manuskript beschrieben. Mit einem schnellen überkritischen Extraktionsverfahren kann ein großer Silica-Aerogel-Monolith (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) in etwa 10 h hergestellt werden. Farbstoffe, die in die Vorläufermischung eingearbeitet werden, führen zu gelb-, rosa- und orangefarbenen Aerogelen. Text, Muster und Bilder können auf die Oberfläche (oder Oberflächen) des Aerogel-Monolithen geätzt werden, ohne die Massenstruktur zu beschädigen. Mit dem Lasergravierer können Formen aus dem Aerogel geschnitten und bunte Mosaike entstehen.
Introduction
Silica-Aerogel ist ein nanoporöses, akustisch isolierendes Material mit hoher Oberfläche und geringer Wärmeleitfähigkeit, das in einer Reihe von Anwendungen vom Sammeln von Weltraumstaub bis zum Gebäudedämmmaterial1,2verwendet werden kann. Bei der Herstellung in monolithischer Form sind Silica-Aerogele transluzent und können zur Herstellung von hochisolierenden Fenstern3,4,5verwendet werden.
Vor kurzem haben wir gezeigt, dass es möglich ist, das Aussehen eines Silica-Aerogels durch Ätzen oder Schneiden durch die Oberfläche miteinemLasergravursystem 6 ,7 zuverändern,ohne das Aerogel zu beschädigen. Dies könnte nützlich sein, um ästhetische Verbesserungen zu machen, Inventarinformationen zu drucken und Aerogel-Monolithen in verschiedene Formen zu bearbeiten. Femtosekundenlaser haben gezeigt, dass sie für die rohe “Mikrobearbeitung” von Aerogelen8,9,10,11funktionieren ; Das aktuelle Protokoll demonstriert jedoch die Fähigkeit, die Oberfläche von Aerogelen mit einem einfachen Lasergravursystem zu verändern. Infolgedessen ist dieses Protokoll weitgehend auf die künstlerische und technische Gemeinschaft anwendbar.
Es ist auch möglich, Farbstoffe in die chemische Vorläufermischung von Aerogel einzuarbeiten und dadurch farbstoffreiche Aerogele mit einer Reihe von Farbtönen herzustellen. Diese Methode wurde verwendet, um chemische Sensoren12,13, zur Verbesserung der Cerenkov-Detektion14und aus rein ästhetischen Gründen herzustellen. Hier demonstrieren wir die Verwendung von Farbstoffen und Laserätzen zur Herstellung ästhetisch ansprechender Aerogele.
Im folgenden Abschnitt beschreiben wir Verfahren zur Herstellung großer Silica-Aerogel-Monolithen, zur Änderung des Monolith-Vorbereitungsverfahrens, um Farbstoffe zu integrieren, Text, Muster und Bilder auf die Oberfläche eines Aerogel-Monolithen zu ätzen und Formen aus großen gefärbten Monolithen zu schneiden, die zu Mosaiken zusammengesetzt werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll zeigt, wie Laserätzen und die Einbeziehung von Farbstoffen verwendet werden können, um ästhetisch ansprechende Aerogelmaterialien herzustellen.
Die Herstellung großer (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) Aerogelmonolithen erfordert eine ordnungsgemäße Formvorbereitung durch Schleifen, Reinigen und Fettauftrag, um zu verhindern, dass das Aerogel an der Form klebt und sich größere Risse bilden. Die Teile der Form, die in direktem Kontakt mit der Vorläuferlösung / demnächst zu for…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten den Union College Faculty Research Fund, das Student Research Grant-Programm und das Sommer-Undergraduate-Forschungsprogramm für die finanzielle Unterstützung des Projekts anerkennen. Die Autoren möchten auch Joana Santos für das Design der dreiteiligen Form, Chris Avanessian für die SEM-Bildgebung, Ronald Tocci für das Ätzen auf die gekrümmte Aerogeloberfläche und Dr. Ioannis Michaloudis für die Inspiration und erste Arbeit am Radierungsprojekt sowie für die Bereitstellung des Kouros-Bildes und des zylindrischen Aerogels danken.
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).
