Ästhetisch verbessertes Silica-Aerogel durch Einbau von Laserätzen und Farbstoffen

Dieses Protokoll stellt die erste visuelle Methodik zum Ätzen und Schneiden von einfachem und gefärbtem Aerogel mit einem Lasergravursystem dar. Der Hauptvorteil dieser Technik ist ihre Einfachheit, da Aerogel-Monolithen jeder Form, Größe oder Farbe geätzt werden können. Die Videopräsentation ermöglicht die Demonstration der praktischen Überlegungen des Protokolls, einschließlich der Platzierung des Aerogels und der Ausrichtung des Laserschneiders.

Um eine Form für die Herstellung von Aerogel-Monolithen vorzubereiten, wählen Sie eine dreiteilige Stahlform, die aus einem oberen, mittleren und unteren Teil mit Außenmaßen von 15,24 x 14 Zentimetern in einem 10 x 11 Zentimeter großen Hohlraum in der Mitte besteht. Der obere Teil der Form sollte auf jeder Seite sieben 0,08 Zentimeter Entlüftungslöcher haben. Verwenden Sie verdünnte Seife und einen rauen strukturierten Schwamm, um die oberen, mittleren und unteren Teile der Form zu schrubben und alle sauberen Teile der Form mit einem Papiertuch zu trocknen.

Verwenden Sie nach dem Trocknen einzelne Einweg-Aceton-getauchte Reinigungstücher, um die Form abzuwischen, bis das Reinigungstuch sauber bleibt. Als nächstes verwenden Sie 2.000 Körnungssandpapier, um alle Oberflächen leicht zu schleifen, bis sich die Form glatt anfühlt und alle Rückstände aus früheren Verwendungen entfernt wurden, wobei Sie besonders auf das Innere der mittleren Form achten, in der das Aerogel gebildet wird. Reinigen Sie die Entlüftungslöcher am oberen Formteil mit Druckluft und tragen Sie manuell ca. 2,4 Milliliter Hochvakuumfett in einer dicken, sogar ein bis zwei Millimeter großen Schicht über die gesamte obere Verbindungsfläche der unteren Form und etwa einen Milliliter Fett in einer dicken, sogar ein bis zwei Millimeter großen Schicht auf die äußere Hälfte der unteren Verbindungsfläche der oberen Form auf.

Tragen Sie etwa 0,5 Milliliter Hochvakuumfett in einer noch kleineren Als 0,5-Millimeter-Schicht auf die Innenflächen der Ober- und Unterform auf und wischen Sie überschüssiges Fett mit einem Einweg-Reinigungstuch ab, bis sich die Oberfläche glatt anfühlt und keine Klebrigkeit vom Fett übrig bleibt. Tragen Sie manuell 0,5 Milliliter Hochvakuumfett in einer noch kleineren als 0,5 Millimeter Fettschicht auf die Innenfläche der mittleren Form auf. Um die Ätzmusterdatei vorzubereiten, öffnen Sie ein neues Dokument in einer geeigneten Zeichenanwendung, fügen Sie den gewünschten Text oder das gewünschte Bild beliebiger Größe und Linienbreite direkt zum Dokument hinzu und speichern Sie die Datei.

Um einen Aerogel-Monolithen zu ätzen, schalten Sie zuerst den Lasergravierer, die Vakuumauspuffanlage und den angeschlossenen Computer ein. Messen Sie die Größe der Aerogel-Monolithoberfläche, die geätzt wird, und öffnen Sie die Ätzmusterdatei. Stellen Sie die Abmessungsgröße des Dokuments so ein, dass sie der gemessenen Aerogel-Monolithgröße entspricht, und öffnen Sie den Deckel des Lasergraveurs.

Verwenden Sie eine behandschuhte Hand, um das Aerogel auf die Lasergravierplattform zu legen und das Aerogel in der oberen linken Ecke auszurichten, wobei das Aerogel das obere und linke Lineal berührt. Drehen Sie das manuelle Fokusmessgerät des V-förmigen Magneten, das am Laser befestigt ist, auf den Kopf und drücken Sie Focus auf den Lasergravierer. Schützen Sie den Aerogel-Monolithen mit einem Einweg-Reinigungstuch und verwenden Sie den Pfeil nach oben auf dem Bedienfeld des Lasergravierers, um die Lasergraviererplattform zu bewegen, bis der untere Teil des manuellen Fokusmessgeräts nur noch das Aerogel berührt.

Entfernen Sie das Wischtuch, und bringen Sie das Messgerät in seine ursprüngliche Position zurück. Schließen Sie den Lasergraviererdeckel und klicken Sie im Zeichenprogramm auf Datei und Drucken. Wählen Sie den Lasergravierer als Druckort aus und öffnen Sie das Voreinstellungsfenster, um die Druckereigenschaften festzulegen.

Wählen Sie den Raster-Modus innerhalb einer DPI von 600, einer Geschwindigkeit von 100 % und einer Leistung von 55 %Stellen Sie fest, dass die Stückgröße mit der gemessenen Aerogel-Monolithgröße übereinstimmt, und klicken Sie auf Übernehmen und Drucken. Klicken Sie auf der Vorderseite des Lasergravierers auf Auftrag und wählen Sie den entsprechenden Dateinamen aus. Klicken Sie auf Los.Wenn der Lasergravierer fertig ist, klicken Sie auf Fokus und verwenden Sie den Abwärtspfeil auf dem vorderen Bedienfeld des Lasergravierers, um die Basis abzusenken.

Verwenden Sie eine behandschuhte Hand, um das Aerogel vorsichtig von der Lasergravierplattform in den Behälter zu übertragen, und klicken Sie auf Papierkorb, um den Auftrag vom Gravierer zu entfernen. Um einen Aerogel-Monolithen zu schneiden, schalten Sie den Lasergravierer, die Vakuumauspuffanlage und den angeschlossenen Computer ein und messen Sie die Größe der zu schneidenden Aerogel-Monolithoberfläche. Öffnen Sie für den allgemeinen Schnitt ein neues Dokument im Zeichenprogramm und geben Sie die Abmessungen für die Dokumentgröße ein, um sie mit der gemessenen Aerogel-Monolithgröße zu korrelieren.

Verwenden Sie das Zeichenwerkzeug für die Haaransatzbreite, um das zu schneidende Muster zu erstellen und das Muster so zu positionieren, dass es der gewünschten Schnittposition auf dem Aerogel entspricht. Reinigen Sie ein 0,0127 Millimeter dickes Blatt Edelstahlfolie, das groß genug ist, um die Basis des Aerogel-Monolithen mit Aceton zu bedecken, und legen Sie die Folie auf die Lasergraviererplattform. Richten Sie das Aerogel und die Edelstahlfolie in der oberen linken Ecke aus, wobei das Aerogel das obere und linke Lineal berührt, und passen Sie die Messposition wie gezeigt an.

Klicken Sie im Zeichenprogramm auf Datei und Drucken, wählen Sie den Lasergravierer als Druckposition aus und öffnen Sie das Voreinstellungsfenster, um die Druckereigenschaften festzulegen. Wählen Sie den Vektormodus und stellen Sie die DPI auf 600, die Geschwindigkeit auf 3%, die Leistung auf 90% und die Frequenz auf 1.000 Hertz. Vergewissern Sie sich, dass die Stückgröße mit der gemessenen Aerogelgröße übereinstimmt.

Die Tiefe des Schnitts variiert mit der Lasergeschwindigkeit. Klicken Sie auf Auftrag und Gehe zu, um den Schnitt wie gezeigt zu starten. Nachdem Sie die Probe entnommen haben, verwenden Sie eine Schaumstoffbürste, um alle kleinen Stücke von abgetragenem Aerogel, die auf der Vorderseite des Monolithen, der mit dem Laser in Kontakt kam, zurückgelassen wurden, vorsichtig zu entfernen.

Für diesen Aerogel-Mosaikansatz wurde das gleiche Muster in drei verschiedene gefärbte Aerogel-Monolithen geschnitten und die Teile zu einem Mosaikmuster zusammengesetzt. Es ist möglich, Designs auf kleinere monolithische Stücke zu ätzen, wie gezeigt, um visuell interessante Anordnungen unter natürlichen und ultravioletten Lichtbedingungen auch auf kleineren Stücken zu erhalten. Wie dargestellt, können native Aerogele mit Mustern unterschiedlicher Dichte mit Fotografien auf die Vorderseite eines planaren Aerogels, auf eine gekrümmte Oberfläche und auf fluoreszierend gefärbte Aerogele geätzt werden.

In dieser rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme eines geätzten Silica-Aerogels kann die Grenzfläche zwischen den geätzten Linien und dem fast glatten ungeätzten nanoporösen Aerogel beobachtet werden. Das Ätzen bewirkt die Ablation und das Schmelzen des Oberflächenmaterials in filamentartige Strukturen, wie in diesem Bild beobachtet, das die Wirkung eines einzelnen Laserpulses des Aerogels zeigt. Eine sorgfältige Vorbereitung, einschließlich der Kontrastanpassung der zu ätzenden Bilder, ist entscheidend, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen.

Eine weitere Verfeinerung des Laserätzverfahrens könnte eine Alternative zur Mikrobearbeitung der Silica-Aerogele bieten. Ästhetische Aerogel-Monolithen könnten in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung finden, einschließlich Kunstwerken und nachhaltigen Gebäuden.