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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
该协议描述了一种将文本、图案和图像蚀刻到原生和染色形式的硅气凝胶巨石表面的方法,并将气凝胶组装成马赛克设计。
本文稿中描述了通过激光蚀刻和染料结合在美学上增强二氧化硅气凝胶单片的程序。使用快速超临界萃取方法,可在大约 10 小时内制造出大型二氧化硅气凝胶巨石(10 厘米 x 11 厘米 x 1.5 厘米)。加入前体混合物中的染料会导致黄色、粉红色和橙色的气凝胶。文本、图案和图像可以蚀刻在气凝胶巨石的表面(或表面),而不会损坏散装结构。激光雕刻机可用于从气凝胶上切割形状,形成五颜六色的马赛克。
硅气凝胶是一种纳米填充、高表面积、低导热性声学绝缘材料,可用于从收集空间灰尘到制造绝缘材料1、2等一系列应用。当以单片形式制造时,硅气凝胶是半透明的,可用于制造高度绝缘的窗户3,4,5。
最近,我们已经证明,通过蚀刻或切割表面使用激光雕刻系统6,7,可以改变二氧化硅气凝胶的外观,而不会对气凝胶造成大量结构损坏。这可能有助于提高美学,打印库存信息和将气凝胶巨石加工成各种形式。已证明,飞秒激光器适用于空气凝胶8、9、10、11的粗"微加工":然而,目前的协议证明能够改变气凝胶的表面与一个简单的激光雕刻系统。因此,本议定书广泛适用于艺术和技术界。
也可以将染料融入气凝胶化学前体混合物中,从而制造出具有多种色调的染料掺杂气凝胶。这种方法已用于制造化学传感器12,13,以提高塞伦科夫检测14,纯粹出于美学原因。在这里,我们演示了使用染料和激光蚀刻来准备美观的气凝胶。
在随后的部分,我们描述了制作大型硅气凝胶巨石的程序,改变了巨石制备程序,将染料、蚀刻文字、图案和图像整合到气凝胶巨石表面,以及从大染色巨石中切割形状,组装成马赛克。
在准备气凝胶前体溶液、使用热压机和使用激光雕刻系统时,应佩戴安全眼镜或护目镜。清洁和准备模具时应佩戴实验室手套,准备化学试剂溶液,在热压机中将溶液倒入模具中并处理气凝胶。在与所有化学品(包括溶剂)合作之前,请阅读安全数据表 (SDS)。四甲基正硅酸盐(TMOS)、甲醇和浓缩氨以及含有这些试剂的溶液必须在烟气罩内处理。染料可能是有毒和/或致癌的,因此使用适当的个人防护设备非常重要(见 SDS)。正如我们先前的15号议定书所指出,应在热压机周围安装安全防护罩:应正确通风热压机,并删除点火源。在使用激光雕刻机之前,确保真空排气系统正常工作。
1. 获取或制造气凝胶巨石
注:通过快速超临界萃取方法(RSCE)15、16、17、18在含金属模具中制作10厘米×11厘米×1.5厘米气凝胶单片的方法如下所述。此 RSCE 过程从二氧化硅基质的毛孔中去除溶剂混合物,而不会导致结构崩溃。由于前体混合物填充霉菌,这种方法涉及比其他高温酒精超临界萃取方法小得多的酒精(在此例中为甲醇)的超临界萃取。使用这种方法生产的气凝胶密度约为0.09克/mL,表面积约为500米/克。对于蚀刻,巨石可以是任何大小足以蚀刻和准备通过任何适当的方法(即CO2超临界萃取,冷冻干燥,环境干燥)。对于染色气凝胶,这些其他方法可能不太合适,因为染料可以在溶剂交换步骤中浸出。如果使用从其他来源获得的巨石,请跳到第 2 步。
2. 准备激光雕刻机打印文件
注:可以将文本、图案和图像打印在气凝胶上。任何合适的绘图程序都可以使用。图像以灰度解释。激光雕刻师将在有文本或图案的位置使气凝胶表面消融,并变化激光脉冲密度以达到灰度值。蚀刻发生在打印图像为非白色的位置。在图像为白色时,不会发生蚀刻。包含文本、图案或图像文件的单独说明。如果需要6,这三个文件都可以组合在一个文件中。
3. 蚀刻程序
注:以下说明用于 50 W CO2 激光雕刻机/切割机,但可修改以与其他系统配合使用。该系统将速度和功率属性从 0% 调整到 100%。相关激光雕刻机属性包含在 表3中。真空排气系统应用于通风激光雕刻机。处理气凝胶巨石时使用手套。
4. 切割程序
5. 制作有氧马赛克
本协议可用于为各种美观的气凝胶巨石的应用(包括但不限于艺术和可持续的建筑设计)准备各种美观的气凝胶巨石。将少量染料加入此处,只观察到会影响由此产生的气凝胶单片的颜色;未观察到其他光学或结构特性的变化。
图8显示了从大硅巨石中制备气凝胶马赛克的方法。相同的图案(如图3所示)被切成三个不同的染色气凝胶巨石(图8a-c)。然后将航空凝胶件重新组装成马赛克图案(图8d-e)。为了准备马赛克窗口,气凝胶马赛克可以夹在框架装配中的两个玻璃窗或透明塑料之间。使用压缩框架将消除最终马赛克装配中重新组装件之间的间隙。
可以按照第 3 节中概述的相同程序,在较小的单片上蚀刻设计,以便获得视觉上有趣的排列。 图9 展示了在自然采光条件下(图9a)和紫外线下(图9b)下染色、蚀刻的气凝胶碎片的图像,突出了这里使用的染料的荧光性质。请注意,使用不规则大小和形状的小巨石来说明蚀刻到较小碎片上的可行性:蚀刻过程没有导致他们打破。
图10展示了蚀刻气凝胶的蒙太奇,说明了使用此协议可以实现的不同美学效果:用不同密度的图案蚀刻的原生气凝胶(图10a-c),印有照片的气凝胶 到平面表面的前表面 (图 10d) 和弯曲表面的前后 (图 10e)以及蚀刻荧光素染色的气凝胶 (图 10f)).蒙太奇说明了蚀刻和垂死过程的多功能性。
蚀刻的结果是气凝胶表面的变化,但视觉观察,成像和BET分析表明,它保持散装结构完好无损6,7。图5、图6、图7、图8、图9中的照片说明,巨石的未分割部分毫发无损。蚀刻造成的局部损坏可以成像。图11显示蚀刻硅气凝胶的扫描电子显微镜(SEM)图像。图11a显示了蚀刻的"线条"(图像右上角部分,具有静脉模式的特征)和未蚀刻的纳米孔气凝胶(在此放大时看起来几乎光滑)之间的界面。蚀刻导致材料从表面消融,并将一些二氧化硅熔化成长7的长数百μm的灯丝状结构。图11b显示了气凝胶中单个激光脉冲的效果。
| 染料与结构 | 熔点 (+C) | 库存溶液中的质量比(染料/甲醇) | 生成的气凝胶图像 |
|
荧光 素
|
315 | 0.05% g /g | ![]() |
|
罗达明 B
|
165 | 0.075% g/g | ![]() |
|
罗达明 6G
|
290 | 0.16% g/g | ![]() |
表1:染料信息。 用于制作黄色、粉红色和橙色气凝胶和代表性图像的染料信息。在前体混合物中使用之前,通过稀释甲醇/染料混合物和额外的甲醇(如第 1.2.2.4 步所述)来实现不同的色调。图像显示为用 0 倍稀释(库存溶液(左图所示)、2 倍稀释(50% 甲醇/染料 = 50% 甲醇(如中心所示)和 6.67 倍稀释(15% 甲醇/染料 = 85% 甲醇(右图所示)。
| 步 | 温度 (+F, °C) | T 速率 (+F/分钟, +C/分钟) | 力 (基普, kn) | F 速率(基普/分钟、kN/分钟) | 居住(最) | 步进持续时间(最小) |
| 1 | 90, 32 | 200, 111 | 55, 245 | 600, 2700 | 30 | 30 |
| 2 | 550, 288 | 2, 1.1 | 55, 245 | -- | 55 | 285 |
| 3 | 550, 288 | -- | 1, 4.5 | 1, 4.5 | 15 | 70 |
| 4 | 90, 32 | 2, 1.1 | 1, 4.5 | -- | 0 | 230 |
表2:热压参数。
| 参数 | 值 |
| 最大速度 | 8.9 厘米/s (矢量模式) |
| 208 厘米/s(拉斯特模式) | |
| 最大功率 | 50 W |
| 频率范围 | 1 - 5000 赫兹 |
| 打印分辨率 | 75 - 1200 DPI |
表3:激光雕刻机性能。
| 速度(厘米/s) | 切割深度(毫米) |
| 0.27 | 12.8 |
| 0.45 | 12.2 |
| 0.71 | 10.4 |
| 0.89 | 10.2 |
| 1.78 | 7 |
| 2.67 | 6.2 |
| 3.56 | 5.2 |
| 4.45 | 4.6 |
| 5.34 | 4.3 |
| 6.23 | 3.7 |
| 7.12 | 3.4 |
| 8.01 | 2.8 |
| 8.9 | 3 |
表4:激光切割深度作为激光头速的功能,激光功率为100%(50 W),频率为500赫兹,穿过12.7毫米厚的气凝胶样品。

图1: M旧大会。(a)顶部(有十四个通风孔)、(b)中间和(c)底部模具组件的示意图。蓝色表面(d)表示底部的连接表面(顶部表面存在类似的连接表面),白色表面(e)表示中间和底部模具的内部表面(顶部表面存在类似的表面)。如果需要,使用三部分的模具来促进空气凝胶的去除。请单击此处查看此图的较大版本。

图2:示意图显示热压机中的模具放置。 (a) 热压板,(b) 石墨垫片 ,(c) 不锈钢箔 ,(d) 3 部分模具。注:一块不锈钢箔可以放置在板和石墨垫片之间,以防止粘附在板材上,如第 1.1.12 步所述。请单击此处查看此图的较大版本。

图3:马赛克设计的示例结构。 (a) 方形轮廓创建,(b) 对角线添加,(c) 圆添加,(d) 内对角线删除,(e) 六边形添加, 和(f) 最终设计。有关此设计构建的气凝胶马赛克,请参阅图 8。请单击此处查看此图的较大版本。

图4: 云图像的示例调整。 (a) 原始图像。(b) 具有白色背景的倒置图像。(c) 原始图像与背景删除和对比调整为40%,以突出功能。(d) 用面板上显示的图像蚀刻的气凝胶照片。原始图像中的低对比度水平导致刻有模糊的图案。(e) 刻有面板 b 中图像的气凝胶照片。在这里,云更明显,但白色背景导致较少的区别。请注意,在蚀刻之前,观测到的裂缝存在于巨石上,而不是由于蚀刻过程。(f) 用面板 c 中显示的图像蚀刻的航空胶照片。调整后的对比度和背景删除会导致更明显的云。在所有图像中,云层高约 2 厘米。 请单击此处查看此图的较大版本。

图5: 激光雕刻机 。 (a) 手动对焦计 ,(b) 激光和镜头组装 ,(c) 气凝胶和(d) 平台。 请单击此处查看此图的较大版本。

图6:切入深度与激光速度。 切割深度与激光速度(100% 左切,3% 右切)的功率为 100% (50 W) 和频率 500 Hz(见 表 4中的随附数据),用于 12.7 mm 厚的气凝胶样品。这个数字已经从斯坦内克等人修改了7箭头表示穿透气凝胶全深的切口。 请单击此处查看此图的较大版本。

图7:切气凝胶边缘的照片。在最左边的表面可以看到消融的气凝胶碎片。请单击此处查看此图的较大版本。

图8: 航空胶马赛克示例。图3的最终图案切成(a)罗丹-6G染色的气凝胶(橙色),(b)荧光素染色(黄色)气凝胶,和(c)罗丹-B染色(粉红色)气凝胶(d,e)个别切割件重新组装,形成三色马赛克。请单击此处查看此图的较大版本。

图9:蚀刻染色气凝胶样品。 蚀刻染色气凝胶样品(a) 在自然采光条件下和(b) 在紫外线下。注:最大的气凝胶片(左侧、中间)的大小约为 3 厘米 x 3 厘米 x 1 厘米。观测到的黑点是由于激光雕刻平台的污渍或松散颗粒,而不是染料分布中不共性的迹象。 请单击此处查看此图的较大版本。

图10:蚀刻气凝胶的照片。(a) 航空凝胶正面和背面刻有几何图案的视图,(b)密集蚀刻图案使散装结构完好无损,(c)花纹蚀刻,(d)照片(上图)刻在二氧化硅气凝胶(下图)上(此图已由米查卢迪斯等人修改)(e))照片(顶部)的库罗斯雕像蚀刻在直径2.5厘米的圆柱形气凝胶的正面和背面(注意原始照片倒置,以创建一个白色背景蚀刻前),和(f)图像蚀刻在荧光染色硅气凝胶的高度9厘米。请点击这里查看这个数字的更大版本。

图11:硅胶的SEM图像,显示图像右上角的蚀刻线和(b)单个激光脉冲的效果。(此图已从斯塔内克等人修改为 7)图像显示了激光引起的结构变化。刻度条为 20 μm。请单击此处查看此图的较大版本。
作者没有什么可透露的。
该协议描述了一种将文本、图案和图像蚀刻到原生和染色形式的硅气凝胶巨石表面的方法,并将气凝胶组装成马赛克设计。
作者希望感谢联合学院教师研究基金、学生研究补助金计划以及该项目的暑期本科生研究计划。作者还要感谢乔安娜桑托斯设计的三件式模具,克里斯·阿瓦尼西安为SEM成像,罗纳德·托奇蚀刻在弯曲的气凝胶表面,和约安尼斯·米查卢迪斯博士的灵感和初步工作蚀刻项目,以及提供库罗斯图像和圆柱形气凝胶。
| 2000粒度砂纸 | 各种 | ||
| 50W激光雕刻机 | Epilog激光 | 任何激光切割机都适合 | |
| 丙酮 | Fisher Scientific www.fishersci.com | A18-20 | 认证 ACS试剂级: |
| 氧化铵(氨水) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A669S212 | ACS Plus认证,约14.8N,28.0-20.0 w/w% |
| 烧杯 | 购自Fisher Scientific | 任何玻璃烧杯都是合适的。 | |
| 去离子水 | 自来水 | ||
| 数字天平 | OHaus Explorer Pro | 任何数字天平都是合适的。 | |
| 一次性清洁湿巾 | Fisher Scientific www.fishersci.com | 06-666 | KimWipe |
| 绘图软件 | CorelDraw 图形套件 | CorelDraw | |
| 柔性石墨片 | 菲尔普斯工业产品 | 7500.062.3 | 1/16 英寸厚 |
| 荧光素 | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | F2456 | 染料含量 ~95% |
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| 激光雕刻机 | 尾声激光 | 螺旋 - 24 | 50 W |
| 甲醇 (MeOH) | Fisher Scientific www.fishersci.com | A412-20 | 认证 ACS 试剂级,≥99.8% |
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| 石蜡膜 | Fisher Scientific www.fishersci.com | S37441 | 石蜡膜 M 实验室胶片 |
| 罗丹明-6G 罗丹明-6g 氟素罗丹明-6g | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 20,132-4 | 染料含量 ~95% |
| 罗丹明-B 罗丹明-6g 氟素罗丹明-6g | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | R-953 | 染料含量 ~80% |
| 肥皂清洁模具 | 各种 | ||
| 不锈钢箔 | 各种 | .0005" 厚,304 不锈钢 | |
| 四甲基正硅酸盐 (TMOS) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com | 218472-500G | 98% 纯度,CAS 681-84-5 |
| 超声波清洗机 | FisherScientific FS6 | 153356 | 任何超声波仪都适用。 |
| 真空排气系统 | Purex | 800i | 任何排气系统都适用。 |
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