يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

جماليا تعزيز السيليكا Aerogel عن طريق دمج الليزر النقش والأصباغ

2.7K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/61986

⸱

مارس 12, 2021

 ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Union College, 2Department of Chemistry, Union College

في هذه المقالة

ملخص

يصف هذا البروتوكول طريقة لحفر النص والأنماط والصور على سطح متجانسات السيليكا إيروجيل في شكل أصلي ومصبوغ وتجميع الطائرات في تصاميم فسيفساء.

الملخص

ويرد في هذه المخطوطة وصف لإجراء لتعزيز جماليا ل متجانسات السيليكا إيروجيل عن طريق النقش بالليزر وإدماج الأصباغ. باستخدام طريقة استخراج فائقة الحرجة السريعة، يمكن تصنيع متجانسة كبيرة من السيليكا aerogel (10 سم × 11 سم × 1.5 سم) في حوالي 10 ساعة. الأصباغ المدرجة في خليط السلائف يؤدي إلى aerogels الأصفر والوردي والبرتقالي. يمكن أن يكون النص والأنماط والصور محفورة على سطح (أو أسطح) المتجانس aerogel دون الإضرار الهيكل السائبة. يمكن استخدام حفار الليزر لقطع الأشكال من aerogel وتشكيل الفسيفساء الملونة.

المقدمة

السيليكا aerogel هي نانوبور، مساحة سطح عالية، مواد عازلة صوتيا مع الموصلية الحرارية المنخفضة التي يمكن استخدامها في مجموعة من التطبيقات من جمع الغبار الفضاء لبناء مواد العزل1،2. عندما تصنع في شكل متجانس، السيليكا aerogels شفافة ويمكن استخدامها لجعل نوافذ عازلة للغاية3،4،5.

في الآونة الأخيرة ، أثبتنا أنه من الممكن تغيير مظهر aerogel السيليكا عن طريق النقش على السطح أو قطعه باستخدام نظام النقش بالليزر6،7 دون التسبب في أضرار هيكلية كبيرة للaerogel. وهذا يمكن أن يكون مفيدا لإجراء تحسينات جمالية، وطباعة معلومات المخزون والمتجانسات aerogel الآلات في أشكال مختلفة. وقد ثبت أن أشعة الليزر Femtosecond للعمل الخام "مايكرو ماشينينج" من aerogels8،9،10،11؛ ومع ذلك ، فإن البروتوكول الحالي يدل على القدرة على تغيير سطح aerogels مع نظام بسيط النقش بالليزر. ونتيجة لذلك، ينطبق هذا البروتوكول على نطاق واسع على الأوساط الفنية والتقنية.

ومن الممكن أيضا لدمج الأصباغ في خليط السلائف الكيميائية aerogel وبالتالي جعل aerogels صبغ مخدر مع مجموعة من الأشكال. وقد استخدمت هذه الطريقة لتصنيع أجهزة الاستشعار الكيميائية12،13، لتعزيز الكشف Cerenkov14، ولأسباب جمالية بحتة. هنا، ونحن نظهر استخدام الأصباغ والليزر النقش لإعداد aerogels جماليا ارضاء.

في القسم التالي، نقوم بوصف إجراءات صنع متجانسات كبيرة من السيليكا aerogel، وتغيير إجراء التحضير المتجانس لدمج الأصباغ، ونقش النص والأنماط والصور على سطح متجانسة aerogel، وقطع الأشكال من المتجانسات المصبوغة الكبيرة ليتم تجميعها في الفسيفساء.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

يجب ارتداء نظارات السلامة أو النظارات الواقية عند إعداد حلول السلائف aerogel ، والعمل مع الصحافة الساخنة ، واستخدام نظام النقش بالليزر. يجب ارتداء قفازات المختبر عند تنظيف القالب وإعداده ، وإعداد محلول الكاشف الكيميائي ، وصب المحلول في القالب في الصحافة الساخنة والتعامل مع aerogel. اقرأ أوراق بيانات السلامة (SDS) لجميع المواد الكيميائية، بما في ذلك المذيبات، قبل العمل معها. يجب التعامل مع رباعي ميثيل تقويم العظام (TMOS) والميثانول والأمونيا المركزة والحلول التي تحتوي على هذه الكواشف داخل غطاء الدخان. يمكن أن تكون الأصباغ سامة و / أو مسرطنة ، لذلك من المهم استخدام معدات الحماية الشخصية المناسبة (انظر SDS). كما لوحظ في البروتوكول السابق15، يجب تركيب درع أمان حول الصحافة الساخنة . يجب تنفيس الصحافة الساخنة بشكل صحيح وينبغي إزالة مصادر الاشتعال. قبل استخدام حفار الليزر، تأكد من تشغيل نظام العادم الفراغي.

1. الحصول على أو تلفيق متجانسة aerogel

ملاحظة: طرق لجعل 10 سم × 11 سم × 1.5 سم aerogel متجانسة في قالب معدني الواردة عن طريق طريقة استخراج فوق الحرجة السريع (RSCE)15،16،17،18 موصوفة هنا. هذه العملية RSCE يزيل خليط المذيبات من مسام مصفوفة السيليكا دون التسبب في انهيار الهيكلية. لأن خليط السلائف يملأ القالب، وهذا الأسلوب ينطوي على استخراج فوق الحرجة من حجم أقل بكثير من الكحول (في هذه الحالة، الميثانول) من غيرها من أساليب استخراج الكحول عالية الحرارة فوق الحرجة. Aerogels المنتجة باستخدام هذه الطريقة لديها كثافات حوالي 0.09 غرام / مل ومساحات سطحية من حوالي 500 متر2/ ز. للحفر، يمكن أن يكون المتجانس من أي حجم كبير بما يكفي لحفر على وأعدت عن طريق أي طريقة مناسبة (أي، استخراج CO2 فوق الحرجة، تجميد التجفيف، التجفيف المحيط). بالنسبة للألعاب الهوائية المصبوغة ، قد لا تكون هذه الطرق الأخرى مناسبة لأن الصبغة يمكن أن تتسرب أثناء خطوات تبادل المذيبات. إذا كنت تستخدم متجانسة تم الحصول عليها من مصدر آخر، انتقل إلى الخطوة 2.

  1. إعداد القالب
    ملاحظة: يجب إجراء جميع الاستعدادات الحل في غطاء الدخان ارتداء قفازات ونظارات السلامة.
    1. الحصول على ثلاثة أجزاء (4140 سبيكة) قالب الصلب تتكون من أعلى، وسط، وأسفل الجزء مع أبعاد الخارجي من 15.24 سم × 14 سم وتجويف 10 سم × 11 سم في المركز (انظر الشكل 1). الجزء العلوي من القالب لديه أربعة عشر فتحات تنفيس 0.08 سم، سبعة على كل جانب. هذه الجمعية العفن سوف تنتج 10 سم × 11 سم × 1.5 سم aerogel.
      ملاحظة: يمكن استخدام قالب حجم مختلف; ومع ذلك، فإن المعلمات تحتاج إلى تعديل، كما هو موضح في روث، أندرسون، وكارول20.
    2. استخدام الصابون المخفف والإسفنج محكم الخام لفرك وتنظيف الجزء العلوي والمتوسط والسفلي من القالب. جفف جميع أجزاء القالب باستخدام منشفة ورقية نظيفة.
    3. صب 20 مل من الأسيتون في كوب 50 مل أو أكبر. تراجع مسح التنظيف المتاح في الأسيتون ومسح القالب باستخدام مسح تنظيف جديد لكل جزء. كرر حتى مسح التنظيف يبدو نظيفا بعد المسح.
    4. الرمال طفيفة جميع الأسطح مع الصنفرة 2000 حصى حتى القالب على نحو سلس للمس وأي بقايا من الاستخدامات السابقة قد أزيلت. إيلاء اهتمام إضافي إلى داخل القالب الأوسط حيث يتم تشكيل aerogel.
    5. تدفق الهواء المضغوط من خلال فتحات تنفيس في الجزء القالب العلوي لمسحها.
    6. اعصر ما يقرب من 2.4 مل من الشحوم عالية الفراغ وطبق طبقة سميكة، حتى، 1-2 مم من الشحوم على كامل سطح (26 ملم) الأعلى ربط من القالب السفلي (انظر الشكل 1).
    7. اعصر ما يقرب من 1.0 مل من الشحوم عالية الفراغ وطبق طبقة سميكة حتى 1-2 مم من الشحوم إلى النصف الخارجي (13 مم) من سطح الوصل السفلي للقالب العلوي (انظر الشكل 1).
    8. اعصر ما يقرب من 0.5 مل من الشحوم عالية الفراغ وطبق يدويا رقيقة (أقل من 0.5 ملم) ، حتى طبقة من الشحوم إلى الأسطح الداخلية للقالب العلوي والسفلي (تلك الأسطح التي ستتصل بمحلول السلائف والهيغيل الناتج ، انظر الشكل 1).
    9. مسح الشحوم الزائدة مع مسح التنظيف المتاح حتى يشعر السطح على نحو سلس ويشعر أي الالتصاق من الشحوم.
    10. اعصر ما يقرب من 0.5 مل من الشحوم العالية الفراغية وطبق رقيقة يدويا (أقل من 0.5 مم) ، حتى طبقة الشحوم على السطح الداخلي للقالب الأوسط (انظر الشكل 1). لا تمسح الشحوم الزائدة.
    11. ضع الجزء الأوسط من القالب فوق الجزء السفلي من القالب. استخدام مطرقة مطاطية مغطاة مناديل التنظيف المتاح (لحماية سطح العفن) ومطرقة بلطف الجزء الأوسط في الجزء السفلي حتى يتم ختم جميع الجوانب بالتساوي.
    12. باستخدام اثنين 0.0005 "(0.0127 ملم) سميكة 16 سم × 15 سم قطعة من رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ، و0.0625"(1.59 مم) سميكة 16 سم × 15 سم قطعة من ورقة الجرافيت مرنة، وجعل طوقا القاع تتكون من الجرافيت تقع بين طبقتين من رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ. جعل طوقا مماثلة لأعلى القالب.
    13. ضع طوقا القاع على الصفائح الصحافة الساخنة أقل ومن ثم وضع تجميعها في الوسط وأسفل قطع العفن على رأس طوقا (انظر الشكل 2). تأكد من أن يتم وضع الجمعية العفن في وسط الصفائح الصحافة الساخنة واستخدام الصحافة الساخنة لتطبيق قوة 90 كيلو طن إلى القالب لمدة 5 دقائق تقريبا لختم القطعتين.
    14. إزالة القالب من الصحافة الساخنة. استخدمي مسحة تنظيف يمكن التخلص منها لإزالة الشحوم الزائدة التي قد تكون تقلصت بين القطع الوسطى والسفلية. تأكد من عدم وجود حطام على السطح الداخلي للقالب.
  2. إعداد خليط السلائف aerogel
    ملاحظة: هذه الوصفة هي لAerogel السيليكا المستندة إلى TMOS التي يمكن إجراؤها في القالب المذكور أعلاه في القسم 1.1. يمكن استخدام أي وصفة مناسبة للسيليكا إيروجيل طالما أن جيليشن وصفة السلائف يستغرق أكثر من 15 دقيقة ولكن أقل من 120 دقيقة في درجة حرارة الغرفة (انظر، على سبيل المثال، استوك وآخرون19 للحصول على وصفة RSCE مناسبة تعتمد على رباعي إيثيل). يمكن إعداد Aerogels باللغة الأصلية (الخطوة 1.2.1) أو النموذج المصبوغ (الخطوة 1.2.2). يتم تنفيذ جميع أعمال إعداد الحلول في غطاء الدخان باستخدام القفازات ونظارات السلامة.
    1. إيروجيلس الأصلية
      1. جمع الكواشف التالية: TMOS، الميثانول، والمياه deionized، والأمونيا 1.5 M.
      2. استخدم توازنا تحليليا لقياس 34.28 جراما من TMOS في كوب نظيف سعة 250 مل. صب TMOS قياس في كوب نظيف 600 مل وتغطي مع فيلم البارافين.
      3. استخدم توازنا تحليليا لقياس 85.76 جرام من الميثانول في كوب آخر سعة 250 مل. صب الميثانول المقاس في كوب 600 مل يحتوي على TMOS وتغطية مع فيلم البارافين.
      4. التدبير 14.14 غرام من الماء deionized في كوب 50 مل باستخدام التوازن التحليلي. استخدام micropipette لإضافة 1.05 مل من الأمونيا 1.5 M إلى الماء في الكأس. يحرك بلطف.
      5. صب خليط الماء والأمونيا في كوب 600 مل مع الكواشف المتبقية وتغطي مع فيلم البارافين. ضع الكأس في sonicator و sonicate لمدة 5 دقائق.
    2. الطائرات الهوائية المغشطة بالصبغ
      ملاحظة: إذا تم استخدام إجراء مختلف ينطوي على تبادل المذيبات، سيتم غسل كمية كبيرة من الصبغة أثناء التبادلات. وبالتالي ، فإن ألوان aerogels الناتجة لن تكون نابضة بالحياة مثل تلك المعروضة هنا.
      1. جمع الكواشف التالية: رباعي ميثيل تقويم العظام (TMOS)، الميثانول، والمياه deionized، 1.5 M الأمونيا وصبغة مناسبة.
      2. استخدم توازنا تحليليا لقياس 34.28 جراما من TMOS في كوب نظيف سعة 250 مل. صب TMOS قياس في كوب نظيف 600 مل وتغطي مع فيلم البارافين.
      3. استخدم توازنا تحليليا لقياس 42.88 جرام من الميثانول في كوب سعة 250 مل. صب الميثانول المقاس في كوب 600 مل يحتوي على TMOS وتغطية مع فيلم البارافين. استخدم توازنا تحليليا لقياس 42.88 جراما آخر من الميثانول في كوب 250 مل.
      4. استخدم توازنا تحليليا لقياس 0.050 غرام من الفلورسين (لصنع إيروجيل أصفر اللون) أو 0.042 غرام من الرودامين B (لصنع إيروجيل وردي اللون) أو 0.067 غرام من رودامين 6 G (لصنع إيروجيل برتقالي اللون) في كوب 10 مل. أضف الصبغة إلى كوب سعة 250 مل يحتوي على الميثانول واخلطه برفق حتى يذوب.
        ملاحظة: هذه التعليمات هي aerogels المستخدمة في تصميم الفسيفساء المثال; يمكن تغيير تركيز الصبغة لتغيير عمق اللون في aerogel الناتج (انظر الجدول 1).
      5. صب محلول الصبغة في كوب 600 مل يحتوي على TMOS وتغطية مع فيلم البارافين.
      6. التدبير 14.14 غرام من الماء deionized في كوب 50 مل باستخدام التوازن التحليلي. استخدام micropipette لإضافة 1.05 مل من الأمونيا 1.5 M إلى الماء في الكأس.
      7. صب خليط الماء والأمونيا في كوب 600 مل مع الكواشف المتبقية وتغطي مع فيلم البارافين. ضع الكأس في sonicator و sonicate لمدة 5 دقائق.
  3. تنفيذ استخراج فوق الحرجة السريعة
    ملاحظة: يستخدم هذا الإجراء 30 طن الصحافة الساخنة للبرمجة مجهزة درع السلامة. يجب ارتداء القفازات ونظارات السلامة.
    1. برنامج برنامج استخراج الصحافة الساخنة مع المعلمات المبينة في الجدول 2. يتم تعيين المعلمات لإعداد 10 سم × 11 سم × 1.5 سم aerogel في القالب الموصوف في الخطوة 1.1.1. إذا تم استخدام قالب حجم مختلف، فإن المعلمات تحتاج إلى تعديل، كما هو موضح في روث، أندرسون، وكارول20.
    2. ضع تجميع العفن الأوسط/السفلي مرة أخرى على قمة طوقا سفلي في الصحافة الساخنة. تأكد من وضع القالب في وسط لوحة الصحافة الساخنة (انظر الشكل 2).
    3. صب محلول السلائف aerogel (الأصلي أو التي تحتوي على صبغ) في القالب حتى الحل هو ~ 2 ملم من الأعلى. وهذا يضمن أن يتم تعبئة القالب تماما مع الحل السلائف عند إضافة الجزء العلوي من القالب. سيكون هناك ما يقرب من 10 مل من الخليط المتبقي في الكأس ، والتي يمكن التخلص منها أو السماح لهاجل في درجة حرارة الغرفة.
    4. ضع بعناية الجزء العلوي من القالب في موقف على الجمعية العفن الأوسط / السفلي. قد يخرج الحل الزائد من فتحات التهوية في الجزء العلوي من القالب حيث يتم وضعه على القالب الأوسط. مسح الحل مع مسح التنظيف المتاح.
    5. وضع مناديل التنظيف المتاح على رأس القالب لحماية سطح العفن. استخدام مطرقة مطاطية للاستفادة بخفة من القالب العلوي حتى يتم إغلاقه بالتساوي على كل جانب.
    6. وضع طوقا أعلى على رأس العفن تجميعها. أغلق درع الأمان وابدأ برنامج الصحافة الساخنة. المواد الهلامية خليط السلائف كما يسخن النظام. وسوف تستغرق العملية برمتها 10.25 ساعة لإكمال لهذا الحجم aerogel.
  4. إزالة متجانسة aerogel من العفن
    ملاحظة: يجب ارتداء قفازات عند التعامل مع المتجانس aerogel.
    1. عند اكتمال عملية الاستخراج، افتح درع الأمان، وأزل القالب، وضعه على سطح عمل نظيف.
    2. أدخل مفك رأس مسطح في التجويف بين القالب العلوي والوسط (انظر الشكل 1). ضع قفازا على الجانب الخلفي من القالب وادفع لأسفل على مفك البراغي لفصل أجزاء العفن العلوية والوسطى.
    3. مرة واحدة يتم كسر الختم، كرر الخطوة 1.4.2، يدور حول حواف القالب في حين دفع مفك البراغي إلى أسفل للافراج عن الجزء القالب العلوي. ضع اليد القفازة حيثما كان ذلك ضروريا للاحتفاظ باستمرار القالب أثناء فتحه.
    4. عندما تكون جميع جوانب العفن العلوي خالية من القالب الأوسط، وإزالة القالب العلوي. ضع القالب العلوي على الجانب.
    5. الحصول على حاوية مغطاة كبيرة بما يكفي لعقد aerogel؛ إزالة الغطاء ووضع الجزء السفلي من الحاوية رأسا على عقب على رأس القالب الأوسط مع الحاوية وتجويف العفن محاذاة. الوجه القالب رأسا على عقب؛ وينبغي إسقاط aerogel بلطف في الحاوية.
    6. وضع الغطاء مرة أخرى على الحاوية لحماية aerogel. يمكن تخزين aerogel إلى أجل غير مسمى قبل إجراء أي حفر أو قطع.

2. إعداد ملف طباعة حفار ليزر

ملاحظة: من الممكن طباعة النص والأنماط والصور على aerogel. يمكن استخدام أي برنامج رسم مناسب. يتم تفسير الصور بتدرج رمادي. سيقوم حفار الليزر بتبجيل سطح aerogel في المواقع التي يوجد فيها نص أو نمط ويختلف كثافة نبض الليزر لتحقيق قيم المقياس الرمادي. يحدث النقش في المواقع التي تكون فيها الصورة المطبوعة غير بيضاء. لا يحدث النقش حيث تكون الصورة بيضاء. يتم تضمين إرشادات منفصلة لملفات النص أو النقش أو الصورة. ويمكن الجمع بين كل ثلاثة في ملف واحد إذا رغبت6.

  1. ملفات نصية
    1. افتح تطبيق الرسم وابدأ مستند جديد. إضافة النص المطلوب من أي حجم، linewidth، ونمط مباشرة إلى المستند.
    2. حفظ الملف.
  2. ملفات النقش
    1. افتح تطبيق الرسم وابدأ مستند جديد.
    2. إضافة خطوط وأشكال مباشرة إلى المستند باستخدام خط الدوي المطلوب.
    3. لتصميم نمط الفسيفساء التي سيتم قطع من (بدلا من محفورا على) المتجانسة aerogel، واستخدام الأشكال والخطوط في مربع الأدوات وتعيين جميع عرض الخط إلى شعري. انظر الشكل 3 للحصول على مثال لنمط الفسيفساء.
    4. حفظ الملف.
  3. ملفات الصور
    1. حدد صورة واستخدم أي برنامج لمعالجة الصور لتحريرها.
    2. استخدم برنامج معالجة الصور لإزالة المقاطع غير البيضاء التي لا يجب طباعتها من الصورة. انظر الشكل 4 للحصول على مثال على ذلك.
      ملاحظة: يحدث النقش في أي موقع غير أبيض.
    3. تحويل الصورة إلى تدرج رمادي للإشارة البصرية لما سوف تبدو عليه الصورة المحفورة وضبط التباين بين الأشكال الصورة حتى راض عن وجود تباين كاف لإظهار الميزات المطلوبة (انظر الشكل 4).
      ملاحظة: مستوى التباين المطلوب يعتمد على مقدار التفاصيل في الصورة التي يرغب المستخدم في حفر على aerogel. يجب أن يوفر برنامج الرسم إرشادات، ولكن قد يحتاج المستخدم إلى تجربة مستويات تباين مختلفة لتحقيق النتيجة المرجوة.
    4. افتح تطبيق الرسم وابدأ مستند جديد. تحميل صورة إلى برنامج الرسم.
    5. حفظ الملف.

3. إجراء النقش

ملاحظة: الإرشادات التالية هي ل 50 W COCO 2 ليزر حفار / cutter ولكن يمكن تعديلها لاستخدامها مع أنظمة أخرى. يقوم هذا النظام بضبط خصائص السرعة والطاقة على أساس النسبة المئوية من 0٪ إلى 100٪. يتم تضمين خصائص حفار الليزر ذات الصلة في الجدول 3. وينبغي استخدام نظام العادم فراغ للتنفيس عن حفار الليزر. استخدام قفازات عند التعامل مع المتجانس aerogel.

  1. قم بتشغيل حفار الليزر ونظام العادم الفراغي والكمبيوتر المرفق.
  2. قياس حجم سطح المتجانس aerogel التي سيتم حفرها (في المثال أعلاه، وحجم هو 10 سم × 11 سم).
  3. بدء تشغيل برنامج الرسم وفتح الملف المحفوظة مسبقا (من الخطوة 2.1 أو 2.2 أو 2.3). تعيين حجم البعد/القطعة للمستند ليتوافق مع حجم المتجانس aerogel المقاس.
  4. افتح غطاء حفار الليزر. باستخدام يد قفاز، ضع aerogel (الأصلي أو مصبوغ) على منصة حفار الليزر كما هو مبين في الشكل 5. محاذاة aerogel في الزاوية اليسرى العليا بحيث aerogel يمس الحكام العلوي واليسار.
  5. خذ مقياس التركيز اليدوي للمغناطيس على شكل حرف V المرفق بالليزر وقلبه رأسا على عقب. اضغط على التركيز على حفار الليزر.
    ملاحظة: بسبب شفافية متجانسة aerogel السيليكا، فمن الضروري تعيين المعلمات التركيز يدويا للحفر. لا تستخدم التركيز التلقائي.
  6. ضع مسح التنظيف المتاح على رأس متجانسة aerogel لحمايته. باستخدام السهم لأعلى على لوحة التحكم حفار ليزر، نقل منصة ليزر حفار حتى الجزء السفلي من مقياس التركيز اليدوي يمس فقط aerogel.
  7. إزالة مسح التنظيف المتاح والعودة قياس إلى وضعها الأصلي. أغلق غطاء حفار الليزر.
  8. في برنامج الرسم، انقر فوق ملف ثم طباعة. اختر برنامج الرسم كموقع الطباعة وافتح إطار الخصائص.
  9. ضبط الخصائص عن طريق تحديد وضع النقطية: DPI من 600، وسرعة 100٪ (208 سم / ثانية)، وقوة 55٪ (27.5 واط). تأكد من أن حجم القطعة يطابق حجم المتجانس aerogel قياس. انقر فوق تطبيق ثم قم بطباعة.
  10. في اللوحة الأمامية من حفار الليزر، انقر فوق الوظيفة وحدد اسم الملف المطابق. انقر فوق الانتقال.
  11. عند انتهاء حفار الليزر، انقر فوق التركيز واستخدم السهم لأسفل على لوحة التحكم الأمامية بالليزر لخفض القاعدة. باستخدام يد قفاز، وإزالة بلطف aerogel من منصة حفار الليزر ووضعها مرة أخرى في الحاوية.
  12. قم بتطهير المهمة من حفار الليزر بالنقر على زر المهملات. إيقاف النقش الليزر والفراغ.

4. قطع الإجراء

  1. قم بتشغيل حفار الليزر ونظام العادم الفراغي والكمبيوتر المرفق.
  2. قياس حجم سطح المتجانس aerogel التي سيتم قطع (في المثال أعلاه، وحجم هو 10 سم × 11 سم).
  3. للقطع العام، افتح برنامج الرسم وابدأ مستندا جديدا. أدخل الأبعاد لحجم المستند/القطعة للارتباط بحجم المتجانس aerogel المقاس.
  4. استخدم الأدوات الموجودة في برنامج الرسم لإنشاء الشكل أو الخط الذي سيتم قصه باستخدام عرض خط "شعري". حدد موقع الشكل/الخط لمطابقة موقع القطع المطلوب على aerogel.
  5. بالنسبة لأنماط الفسيفساء، قم باستيراد الملف المحفوظ سابقا (من الخطوة 2.2) واضبط الحجم ليتناسب مع حجم متجانس aerogel.
  6. الحصول على 0.0005 "(0.0127 ملم) ورقة سميكة من رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ كبيرة بما يكفي لتغطية قاعدة المتجانس aerogel. باستخدام مسح التنظيف، وتنظيف الفولاذ المقاوم للصدأ مع الأسيتون.
  7. فتح غطاء حفار الليزر، ووضع احباط الفولاذ المقاوم للصدأ على منصة النقش الليزر لمنع بقايا على المنصة من تلون aerogel أثناء القطع ووضع متجانسة aerogel على رأس احباط. محاذاة aerogel والفولاذ المقاوم للصدأ احباط في الزاوية اليسرى العليا مع aerogel لمس الحكام العلوي واليسار.
  8. اتبع الخطوات 3.5-3.8 من إجراء النقش أعلاه.
  9. ضبط خصائص الطباعة. حدد وضع Vector: DPI من 600، وسرعة 3٪ (0.27 سم/ثانية)، وقوة 90٪ (45 واط)، وتردد 1000 هرتز. عمق القطع سوف تختلف مع سرعة الليزر. انظر الجدول 4 والشكل 6.
  10. اتبع الخطوات 3.10-3.12 من إجراء النقش.
  11. سيتم ترك قطع صغيرة من aerogel ablated على وجه المتجانس الذي كان على اتصال مع الليزر ، كما هو مبين في الشكل 7. لإزالة الجسيمات، استخدم فرشاة رغوة ومسح القطع برفق.

5. صنع الفسيفساء aerogel

  1. لتسفر عن فسيفساء ثلاثية الألوان، قم بإعداد ثلاثة متجانسات مختلفة بنفس السماكة ولكن بأصباغ مختلفة. (من الممكن أيضا إنتاج فسيفساء بثلاثة ظلال مختلفة ، باستخدام متجانسات مختلفة من نفس السمك ولكن بتركيزات متفاوتة من نفس الصبغة ، أو تضمين aerogel الأصلي مع aerogel مصبوغ في أنماط الفسيفساء).)
  2. استخدم إجراء القطع في القسم 4 مع تصميم الفسيفساء من القسم 2.2 لقطع أنماط الفسيفساء إلى ثلاثة إيروجيلات ملونة مختلفة بنفس السماكة.
  3. ضع aerogels الملونة قطع على سطح مستو ونظيف.
  4. تفكيك بلطف كل aerogel لون واحد وفصل مكونات تصميم قطع باستخدام ملاقط أو سكين حادة لتخفيف الانفصال ومنع الكسر.
  5. فرشاة بلطف الجانبين من كل شكل مع فرشاة رغوة لإزالة الجسيمات البيضاء الزائدة التي خلفها إجراء قطع الليزر.
  6. تبادل نفس الأشكال مع ألوان مختلفة لإنتاج الفسيفساء متعددة الألوان(الشكل 8)وتجميع الأشكال قطع عن طريق ضغط عليها معا لتشكيل بلاطة كاملة تشبه الفسيفساء، والتي يمكن وضعها داخل إطار زجاجي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

يمكن استخدام هذا البروتوكول لإعداد مجموعة واسعة من متجانسات aerogel الجمالية للتطبيقات بما في ذلك ، على سبيل المثال لا الحصر ، الفن وتصميم المباني المستدامة. ويلاحظ فقط إدراج في خليط السلائف من كميات صغيرة من الصبغة المستخدمة هنا للتأثير على لون المتجانس aerogel الناتجة؛ لا يتم ملاحظة التغيرات في الخصائص البصرية أو الهيكلية الأخرى.

ويبين الشكل 8 نهجا لإعداد فسيفساء ايروجيل من متجانسات السيليكا الكبي...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

يوضح هذا البروتوكول كيف يمكن استخدام النقش بالليزر وإدراج الأصباغ لإعداد مواد aerogel ممتعة جماليا.

مما يجعل كبيرة (10 سم × 11 سم × 1.5 سم) المتجانسات aerogel يتطلب إعداد العفن السليم من خلال الرملي والتنظيف، وتطبيق الشحوم لمنع aerogel من الالتصاق القالب والشقوق الرئيسية من تشكيل. أجزاء من القالب في اتصال مباشر مع الحل السلائف / قريبا أن تتشكل aerogel هي الأكثر أهمية. الحد من خشونة السطح من القالب عن طريق تلميع الجهاز سوف يحسن الأداء. من المهم تطبيق الشحوم فقط على المحيط الخارجي (13 ملم) من ال...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

شكر وتقدير

ويود المؤلفون أن يعترفوا بصندوق أبحاث كلية الاتحاد، وبرنامج منحة أبحاث الطلاب، وبرنامج أبحاث المرحلة الجامعية الصيفية للدعم المالي للمشروع. كما يود المؤلفون الاعتراف بجوانا سانتوس لتصميم القالب المؤلف من ثلاث قطع ، وكريس أفانيسيان لتصوير SEM ، ورونالد توتشي للحفر على سطح aerogel المنحني ، والدكتور يوانيس Michaloudis للإلهام والعمل الأولي على مشروع النقش وكذلك لتوفير صورة كوروس والألعاب الهوائية الأسطوانية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
2000 حصى ورق الصنفرةمختلف
50W ليزر حفارةأي قاطع ليزر مناسب
AcetoneFisher Scientific www.fishersci.comA18-20ACS Certified Reagent Grade 
هيدروكسيد الأمونيوم (الأمونيا المائية)فيشر www.fishersci.com العلمي A669S212معتمد من ACS Plus ، حوالي 14.8 نيوتن ، 28.0-20.0 وزن / وزن ٪
أكوابتم شراؤها من فيشر ساينتفيكأي دورق زجاجي مناسب.
المياه منزوعة الأيوناتعلى الصنبور في المنزل
الميزان الرقميOHaus Explorer Proأي ميزان رقمي مناسب.
مناديل تنظيف يمكن التخلص منهافيشر ساينتفيك www.fishersci.com06-666KimWipe
Drawing Drawing GraphicsSuiteCorelDraw
ورقة الجرافيت المرنةفيلبس المنتجات الصناعية7500.062.31/16 بوصة سميكة
الفلورسينسيجما ألدريتش www.sigmaaldrich.comF2456محتوى الصبغة ~ 95٪
فرشاة طلاء رغوة متنوعة 1-2 سم حجم
الشحوم عالية الفراغداو كورنينج
الهيدروليكية الضغط الساخنرباعي السطوح www.tetrahedronassociates.comMTP-14أي مكبس ساخن مع التحكم في درجة الحرارة والقوة سيعمل. يحتاج إلى درجة حرارة قصوى ~ 550 فهرنهايت وقوة قصوى تبلغ 24 طنا.
ليزر حفارةخاتمة ليزر- 2450 واط
ميثانول (MeOH) فيشرScientific www.fishersci.comA412-20معتمد من كاشف ACS الصف ، & ge ؛ 99.8٪
قالبملفق في المنزلتصنيع من الفولاذ المدلفن على البارد أو الفولاذ المقاوم للصدأ.
فيلم البارافينفيشر العلمي www.fishersci.comS37441Parafilm M فيلم مختبر
Rhodamine-6G
Rhodamine-6g
FlouresceinRhodamine-6g		Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com20،132-4محتوى الصبغة ~ 95٪
Rhodamine-B
Rhodamine-6g
FlouresceinRhodamine-6g		Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.comR-953محتوى الصبغة ~ 80٪
صابون لتنظيف العفنمختلف
رقائق الفولاذ المقاوممختلفة.0005 "سميكة ، 304 الفولاذ المقاوم للصدأ
نظام العادم الفراغيPurex800iأي نظام عادم مناسب.
ماصة دقيقة متغيرة ، 100-1000 وميكرو ؛ Lتم تصنيعها بواسطة Eppendorf ، تم شراؤها من Fisher Scientific www.fishersci.comS304665أي 100-1000 & micro ؛ ماصة L مناسبة.
ليزر حلزون للصدأ Tetramethylorthosilicate (TMOS) Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com 218472-500G 98٪ نقاء ، CAS 681-84-5 منظف بالموجات فوق الصوتية FisherScientific FS6 153356 أي صوتنة مناسبة.

المراجع

  1. Aerogels Handbook. Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. , Springer. New York. (2011).
  2. Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of aerogels and their applications. Chemical Reviews. 102 (11), 4243-4266 (2002).
  3. Zinzi, M., et al. Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel. Solar Energy. 183, 30-39 (2019).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Bian, Q., et al. Micromachining of polyurea aerogel using femtosecond laser pulses. Journal of Non-Crystalline Solids. 357 (1), 186-193 (2011).
  10. Yalizay, B., et al. Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation. Optical Materials. 47, 478-483 (2015).
  11. 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).
  12. Plata, D. L., et al. Aerogel-platform optical sensors for oxygen gas. Journal of Non- Crystalline Solids. 350, 326-335 (2004).
  13. Carroll, M. K., Anderson, A. M. Aerogels as platforms for chemical sensors. Aerogels Handbook. Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies. Aegerter, M., Leventis, N., Koebel, M. , Springer. New York. (2011).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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. , 8080591 (2011).
  18. 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. , 7384988 (2008).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Ishii, H. A., Bradley, J. P. Macroscopic subdivision of silica aerogel collectors for sample return missions. Meteoritics & Planetary Science. 41 (2), 233-236 (2006).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

دمج الصبغةالاستخلاص فوق الحرجتحضير القالبجهاز النقش بالليزرالوضع الشعاعيالوضع النقطيفسيفساء الهلام الهوائيالمجهر الإلكتروني الماسح
جماليا تعزيز السيليكا Aerogel عن طريق دمج الليزر النقش والأصباغ
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.