Summary
Este protocolo describe un método para grabar texto, patrones e imágenes en la superficie de monolitos de aerogel de sílice en forma nativa y teñida y ensamblar los aerogeles en diseños de mosaico.
Abstract
En este manuscrito se describe un procedimiento para mejorar estéticamente los monolitos de aerogel de sílice mediante grabado láser e incorporación de tintes. Utilizando un método de extracción supercrítica rápida, se puede fabricar un gran monolito de aerogel de sílice (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) en aproximadamente 10 h. Los colorantes incorporados a la mezcla precursora dan como resultado aerogeles teñidos de amarillo, rosa y naranja. El texto, los patrones y las imágenes se pueden grabar en la superficie (o superficies) del monolito de aerogel sin dañar la estructura a granel. El grabador láser se puede utilizar para cortar formas del aerogel y formar mosaicos coloridos.
Introduction
El aerogel de sílice es un material nanoporoso, de alta superficie, acústicamente aislante con baja conductividad térmica que se puede utilizar en una variedad de aplicaciones, desde la recolección de polvo espacial hasta el material de aislamiento de edificios1,2. Cuando se fabrican en forma monolítica, los aerogeles de sílice son translúcidos y se pueden utilizar para hacer ventanas altamente aislantes3,4,5.
Recientemente, hemos demostrado que es posible alterar la apariencia de un aerogel de sílice grabando o cortando a través de la superficie utilizando un sistema de grabado láser6,7 sin causar daños estructurales a granel al aerogel. Esto podría ser útil para realizar mejoras estéticas, imprimir información de inventario y mecanizar monolitos de aerogel en varias formas. Se ha demostrado que los láseres de femtosegundo funcionan para el "micromecanado" crudo de aerogeles8,9,10,11; sin embargo, el protocolo actual demuestra la capacidad de alterar la superficie de los aerogeles con un simple sistema de grabado láser. Como resultado, este protocolo es ampliamente aplicable a las comunidades artísticas y técnicas.
También es posible incorporar colorantes en la mezcla de precursores químicos de aerogel y, por lo tanto, hacer aerogeles dopados con colorantes con una gama de tonos. Este método se ha utilizado para fabricar sensores químicos12,13,para mejorar la detección de Cerenkov14,y por razones puramente estéticas. Aquí, demostramos el uso de tintes y grabado láser para preparar aerogeles estéticamente agradables.
En la sección que sigue, describimos los procedimientos para hacer grandes monolitos de aerogel de sílice, alterar el procedimiento de preparación del monolito para incorporar tintes, grabar texto, patrones e imágenes en la superficie de un monolito de aerogel, y cortar formas de grandes monolitos teñidos para ensamblar en mosaicos.
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Protocol
Se deben usar gafas o gafas de seguridad al preparar las soluciones precursoras de aerogel, trabajar con la prensa en caliente y usar el sistema de grabado láser. Se deben usar guantes de laboratorio al limpiar y preparar el molde, preparar la solución de reactivo químico, verter la solución en el molde en la prensa caliente y manipular el aerogel. Lea las hojas de datos de seguridad (SDS) para todos los productos químicos, incluidos los disolventes, antes de trabajar con ellos. El ortosilicato de tetrametilo (TMOS), el metanol y el amoníaco concentrado, y las soluciones que contienen estos reactivos, deben manipularse dentro de una campana extractora de humos. Los colorantes pueden ser tóxicos y/o cancerígenos, por lo que es importante emplear el equipo de protección personal adecuado (ver el SDS). Como se señaló en nuestro protocolo anterior15,se debe instalar un escudo de seguridad alrededor de la prensa en caliente; la prensa en caliente debe ventilarse correctamente y las fuentes de ignición deben eliminarse. Antes de utilizar el grabador láser, asegúrese de que el sistema de escape al vacío esté operativo.
1. Obtener o fabricar un monolito de aerogel
NOTA: Los métodos para hacer un monolito de aerogel de 10 cm x 11 cm x 1,5 cm en un molde de metal contenido a través de un método de extracción supercrítica rápida (RSCE)15,16, 17,18 se describen aquí. Este proceso RSCE elimina la mezcla de disolventes de los poros de la matriz de sílice sin causar colapso estructural. Debido a que la mezcla precursora llena el molde, este método implica la extracción supercrítica de un volumen significativamente menor de alcohol (en este caso, metanol) que otros métodos de extracción supercríticos de alcohol a alta temperatura. Los aerogeles producidos utilizando este método tienen unas densidades de aproximadamente 0,09 g/mL y una superficie de unos 500m2/g. Para el grabado, el monolito puede ser de cualquier tamaño lo suficientemente grande como para grabarlo y prepararlo a través de cualquier método apropiado (es decir, extracción supercrítica de CO2, liofilización, secado a temperatura ambiente). Para los aerogeles teñidos, estos otros métodos pueden no ser tan adecuados porque el tinte puede filtrarse durante los pasos de intercambio de disolventes. Si utiliza un monolito obtenido de otra fuente, vaya al paso 2.
- Preparar el molde
NOTA: Todas las preparaciones de la solución deben realizarse en una campana extractora con guantes y gafas de seguridad.- Obtener un molde de acero de tres partes (aleación 4140) que consiste en una parte superior, media e inferior con dimensiones exteriores de 15,24 cm x 14 cm y una cavidad de 10 cm x 11 cm en el centro (ver Figura 1). La parte superior del molde tiene catorce orificios de ventilación de 0,08 cm, siete a cada lado. Este conjunto de moldes producirá un aerogel de 10 cm x 11 cm x 1,5 cm.
NOTA: Se puede usar un molde de diferente tamaño; sin embargo, los parámetros deberán ajustarse, como se describe en Roth, Anderson y Carroll20. - Use jabón diluido y una esponja de textura áspera para fregar y limpiar la parte superior, media e inferior del molde. Seque todas las partes del molde con una toalla de papel limpia.
- Vierta 20 ml de acetona en un beaker de 50 ml o más. Sumerja una toallita de limpieza desechable en la acetona y limpie el molde con una nueva toallita de limpieza para cada parte. Repita hasta que la toallita de limpieza aparezca limpia después de limpiar.
- Lija ligeramente todas las superficies con papel de lija de 2.000 granos hasta que el molde quede liso al tacto y se haya eliminado cualquier residuo de usos anteriores. Preste especial atención al interior del molde medio donde se forma el aerogel.
- Fluya aire comprimido a través de los orificios de ventilación en la parte superior del molde para despejarlos.
- Exprima aproximadamente 2,4 ml de grasa de alto vacío y aplique manualmente una capa gruesa, uniforme, de grasa de 1-2 mm a toda la superficie de conexión superior (26 mm) del molde inferior (consulte la Figura 1).
- Exprima aproximadamente 1,0 ml de grasa de alto vacío y aplique manualmente una capa gruesa, incluso de 1-2 mm de grasa, a la mitad exterior (13 mm) de la superficie de conexión inferior del molde superior (consulte la Figura 1).
- Exprima aproximadamente 0,5 ml de grasa de alto vacío y aplique manualmente una capa delgada (menos de 0,5 mm), uniforme de grasa en las superficies interiores del molde superior e inferior (aquellas superficies que entren en contacto con la solución precursora y el aerogel resultante, consulte la Figura 1).
- Limpie el exceso de grasa con una toallita de limpieza desechable hasta que la superficie se sienta lisa y no se sienta pegajosa de la grasa.
- Exprima aproximadamente 0,5 ml de grasa de alto vacío y aplique manualmente una capa delgada (menos de 0,5 mm) y uniforme de grasa en la superficie interior del molde central (consulte la Figura 1). No limpie el exceso de grasa.
- Coloque la parte del molde central en la parte superior de la parte inferior del molde. Use un martillo de goma cubierto con toallitas de limpieza desechables (para proteger la superficie del molde) y martillee suavemente la parte central en la parte inferior hasta que todos los lados estén sellados uniformemente.
- Usando dos piezas de lámina de acero inoxidable de 0.0005"(0.0127 mm) de espesor de 16 cm x 15 cm, y una pieza de lámina de grafito flexible de 0.0625" (1.59 mm) de espesor de 16 cm x 15 cm, haga una junta inferior que consiste en el grafito intercalado entre dos capas de lámina de acero inoxidable. Haga una junta similar para la parte superior del molde.
- Coloque la junta inferior en la placa inferior de prensado en caliente y luego coloque las piezas de molde medio e inferior ensambladas en la parte superior de la junta (consulte la Figura 2). Asegúrese de que el conjunto del molde se coloque en el centro de la placa de prensa en caliente y use la prensa caliente para aplicar una fuerza de 90 kN al molde durante aproximadamente 5 minutos para sellar las dos piezas.
- Retire el molde de la prensa caliente. Use una toallita de limpieza desechable para eliminar el exceso de grasa que puede haberse exprimido entre las piezas media e inferior. Asegúrese de que no haya escombros en la superficie interior del molde.
- Obtener un molde de acero de tres partes (aleación 4140) que consiste en una parte superior, media e inferior con dimensiones exteriores de 15,24 cm x 14 cm y una cavidad de 10 cm x 11 cm en el centro (ver Figura 1). La parte superior del molde tiene catorce orificios de ventilación de 0,08 cm, siete a cada lado. Este conjunto de moldes producirá un aerogel de 10 cm x 11 cm x 1,5 cm.
- Preparar mezcla precursora de aerogel
NOTA: Esta receta es para un aerogel de sílice a base de TMOS que se puede hacer en el molde descrito anteriormente en la sección 1.1. Cualquier receta adecuada de aerogel de sílice se puede utilizar siempre que la gelificación de la receta precursora tome más de 15 minutos pero menos de 120 minutos a temperatura ambiente (véase, por ejemplo, Estok et al.19 para una receta adecuada de RSCE basada en ortosilicato de tetraetilo). Los aerogeles se pueden preparar en forma nativa (paso 1.2.1) o teñida (paso 1.2.2). Todo el trabajo de preparación de la solución se realiza en una campana extractora utilizando guantes y gafas de seguridad.- Aerogeles nativos
- Reúna los siguientes reactivos: TMOS, metanol, agua desionizada y 1,5 M de amoníaco.
- Utilice una balanza analítica para medir 34,28 g de TMOS en un beaker limpio de 250 ml. Vierta el TMOS medido en un beaker limpio de 600 ml y cúbralo con una película de parafina.
- Utilice una balanza analítica para medir 85,76 g de metanol en otro beaker de 250 ml. Vierta el metanol medido en el beaker de 600 ml que contiene TMOS y cúbralo con una película de parafina.
- Mida 14,14 g de agua desionizada en un beaker de 50 ml utilizando una balanza analítica. Use una micropipeta para agregar 1.05 ml de amoníaco de 1.5 m al agua en el beaker. Revuelva suavemente.
- Vierta la mezcla de agua y amoníaco en el beaker de 600 ml con los reactivos restantes y cubra con película de parafina. Coloque el beaker en un sonicador y sonice durante 5 min.
- Aerogeles dopados con colorante
NOTA: Si se utiliza un procedimiento diferente que implica intercambios de solventes, se lavará una cantidad considerable de tinte durante los intercambios; en consecuencia, los colores de los aerogeles resultantes no serán tan vibrantes como los que se presentan aquí.- Reúna los siguientes reactivos: tetrametil ortosilicato (TMOS), metanol, agua desionizada, 1,5 M de amoníaco y un colorante adecuado.
- Utilice una balanza analítica para medir 34,28 g de TMOS en un beaker limpio de 250 ml. Vierta el TMOS medido en un beaker limpio de 600 ml y cúbralo con una película de parafina.
- Utilice una balanza analítica para medir 42,88 g de metanol en un beaker de 250 ml. Vierta el metanol medido en el beaker de 600 ml que contiene TMOS y cúbralo con una película de parafina. Utilice una balanza analítica para medir otros 42,88 g de metanol en el beaker de 250 ml.
- Use una balanza analítica para medir 0.050 g de fluoresceína (para hacer un aerogel teñido de amarillo) o 0.042 g de rodamina B (para hacer un aerogel teñido de rosa) o 0.067 g de Rhodamine 6 G (para hacer un aerogel teñido de naranja) en un beaker de 10 ml. Agregue el tinte al beaker de 250 ml que contiene el metanol y mezcle suavemente hasta que se disuelva.
NOTA: Estas instrucciones son para aerogeles utilizados en el diseño de mosaico de ejemplo; la concentración de colorante puede modificarse para cambiar la profundidad del color en el aerogel resultante (ver Tabla 1). - Vierta la solución de colorante en el beaker de 600 ml que contiene TMOS y cúbrala con una película de parafina.
- Mida 14,14 g de agua desionizada en un beaker de 50 ml utilizando una balanza analítica. Use una micropipeta para agregar 1.05 ml de amoníaco de 1.5 m al agua en el beaker.
- Vierta la mezcla de agua y amoníaco en el beaker de 600 ml con los reactivos restantes y cubra con película de parafina. Coloque el beaker en un sonicador y sonice durante 5 min.
- Aerogeles nativos
- Realizar una extracción supercrítica rápida
NOTA: Este procedimiento utiliza una prensa en caliente programable de 30 toneladas equipada con un escudo de seguridad. Se deben usar guantes y gafas de seguridad.- Programe el programa de extracción de prensa en caliente con los parámetros que se muestran en la Tabla 2. Los parámetros se establecen para preparar un aerogel de 10 cm x 11 cm x 1,5 cm en el molde descrito en el paso 1.1.1. Si se utiliza un molde de tamaño diferente, los parámetros deberán ajustarse, como se describe en Roth, Anderson y Carroll20.
- Coloque el conjunto del molde medio/inferior en la parte superior de la junta inferior en la prensa caliente. Asegúrese de que el molde se coloca en el centro de la placa de prensado en caliente (consulte la Figura 2).
- Vierta la solución precursora de aerogel (nativa o que contenga colorante) en el molde hasta que la solución esté a ~ 2 mm de la parte superior. Esto asegurará que el molde esté completamente lleno con la solución precursora cuando se agregue la pieza superior del molde. Quedarán aproximadamente 10 ml de mezcla en el beaker, que se pueden desechar o dejar gelificar a temperatura ambiente.
- Coloque con cuidado la parte superior del molde en su posición en el conjunto del molde medio / inferior. El exceso de solución puede salir de los orificios de ventilación en la parte superior del molde a medida que se coloca en el molde central. Limpie la solución con una toallita de limpieza desechable.
- Coloque toallitas de limpieza desechables encima del molde para proteger la superficie del molde. Use un martillo de goma para golpear ligeramente el molde superior hasta que esté sellado uniformemente en cada lado.
- Coloque la junta superior encima del molde ensamblado; cierre el escudo de seguridad e inicie el programa de prensado en caliente. La mezcla precursora se gelifica a medida que el sistema se calienta. Todo el proceso tardará 10,25 h en completarse para este tamaño de aerogel.
- Retire el monolito de aerogel del molde
NOTA: Se deben usar guantes al manipular el monolito de aerogel.- Cuando se complete el proceso de extracción, abra el escudo de seguridad, retire el molde y colóquelo sobre una superficie de trabajo limpia.
- Inserte un destornillador de cabeza plana en la cavidad entre el molde superior y medio (consulte la Figura 1). Coloque una mano enguantada en la parte posterior del molde y empuje hacia abajo el destornillador para separar las partes superior y media del molde.
- Una vez que se rompa el sello, repita el paso 1.4.2, rodeando los bordes del molde mientras empuja el destornillador hacia abajo para liberar la parte superior del molde. Coloque la mano enguantada donde sea necesario para sujetar el molde mientras lo abre.
- Cuando todos los lados del molde superior estén libres del molde central, retire el molde superior. Coloque el molde superior a un lado.
- Obtenga un recipiente con tapa lo suficientemente grande como para contener el aerogel; retire la tapa y coloque la parte inferior del recipiente boca abajo en la parte superior del molde central con el recipiente y la cavidad del molde alineados. Voltee el molde al revés; el aerogel debe caer suavemente en el recipiente.
- Vuelva a colocar la tapa en el recipiente para proteger el aerogel. El aerogel se puede almacenar indefinidamente antes de realizar cualquier grabado o corte.
2. Prepare el archivo de impresión del grabador láser
NOTA: Es posible imprimir texto, patrones e imágenes en el aerogel. Se puede utilizar cualquier programa de dibujo adecuado. Las imágenes se interpretan en escala de grises. El grabador láser extirpará la superficie del aerogel en lugares donde hay texto o un patrón y varía la densidad del pulso del láser para lograr valores de escala de grises. El grabado se produce en lugares donde la imagen impresa no es blanca. El grabado no ocurre donde la imagen es blanca. Se incluyen instrucciones separadas para archivos de texto, patrones o imágenes. Los tres se pueden combinar en un archivo si se desea6.
- Archivos de texto
- Abra la aplicación de dibujo e inicie un nuevo documento. Agregue el texto deseado de cualquier tamaño, ancho de línea y estilo directamente al documento.
- Guarde el archivo.
- Archivos de patrones
- Abra la aplicación de dibujo e inicie un nuevo documento.
- Agregue líneas y formas directamente al documento utilizando el ancho de línea deseado.
- Para diseñar un patrón de mosaico que se cortará (en lugar de grabarse en) el monolito de aerogel, use formas y líneas en la caja de herramientas y establezca todos los anchos de línea en la línea del cabello. Consulte la Figura 3 para ver un ejemplo de un patrón de mosaico.
- Guarde el archivo.
- Archivos de imagen
- Seleccione una imagen y utilice cualquier programa de procesamiento de imágenes para editar.
- Utilice un software de procesamiento de imágenes para eliminar las secciones no blancas que no se van a imprimir de la imagen. Consulte la Figura 4 para ver un ejemplo de esto.
NOTA: El grabado se produce en cualquier ubicación no blanca. - Convierta la imagen a escala de grises para obtener una indicación visual de cómo se verá la imagen grabada y ajuste el contraste entre los tonos de la imagen hasta que esté convencido de que existe suficiente contraste para mostrar las características deseadas (consulte la Figura 4).
NOTA: El nivel de contraste necesario dependerá de la cantidad de detalle en la imagen que el usuario desee grabar en el aerogel. El programa de dibujo debe proporcionar orientación, pero el usuario puede necesitar experimentar con diferentes niveles de contraste para lograr el resultado deseado. - Abra la aplicación de dibujo e inicie un nuevo documento. Sube una imagen al programa de dibujo.
- Guarde el archivo.
3. Procedimiento de grabado
NOTA: Las siguientes instrucciones son para un grabador/cortador láser deCO 2 de 50 W, pero se pueden modificar para usarlo con otros sistemas. Este sistema ajusta la velocidad y las propiedades de potencia en una base porcentual de 0% a 100%. Las propiedades relevantes del grabador láser se incluyen en la Tabla 3. Se debe utilizar un sistema de escape de vacío para ventilar el grabador láser. Use guantes cuando manipule el monolito de aerogel.
- Encienda el grabador láser, el sistema de escape al vacío y la computadora conectada.
- Mida el tamaño de la superficie del monolito de aerogel que se grabará (en el ejemplo anterior, el tamaño es de 10 cm x 11 cm).
- Inicie el programa de dibujo y abra el archivo guardado previamente (desde los pasos 2.1, 2.2 o 2.3). Establezca la dimensión/tamaño de pieza del documento para que corresponda al tamaño del monolito de aerogel medido.
- Abra la tapa del grabador láser. Usando una mano enguantada, coloque el aerogel (nativo o teñido) en la plataforma del grabador láser como se muestra en la Figura 5. Alinee el aerogel en la esquina superior izquierda para que el aerogel toque las reglas superior e izquierda.
- Tome el medidor de enfoque manual del imán en forma de V conectado al láser y voltéelo boca abajo. Pulse Focus en el grabador láser.
NOTA: Debido a la transparencia del monolito de aerogel de sílice, es necesario establecer manualmente los parámetros de enfoque para el grabado. No utilice el enfoque automático. - Coloque una toallita de limpieza desechable en la parte superior del monolito de aerogel para protegerlo. Usando la flecha hacia arriba en el panel de control del grabador láser, mueva la plataforma del grabador láser hasta que la parte inferior del medidor de enfoque manual toque el aerogel.
- Retire la toallita de limpieza desechable y devuelva el medidor a su posición original. Cierre la tapa del grabador láser.
- En el programa de dibujo, haga clic en Archivo y, a continuación, en Imprimir. Elija el programa de dibujo como ubicación de impresión y abra la ventana Propiedades.
- Ajuste las propiedades seleccionando el modo Raster: un DPI de 600, una velocidad del 100% (208 cm/s) y una potencia del 55% (27,5 W). Confirme que el tamaño de la pieza coincida con el tamaño del monolito de aerogel medido. Haga clic en Aplicar y, a continuación, en Imprimir.
- En el panel frontal del grabador láser, haga clic en Trabajo y seleccione el nombre de archivo correspondiente. Haga clic en Ir.
- Cuando el grabador láser termine, haga clic en Enfocar y use la flecha hacia abajo en el panel de control frontal láser para bajar la base. Con una mano enguantada, retire suavemente el aerogel de la plataforma del grabador láser y colóquelo de nuevo en el recipiente.
- Purgue el trabajo del grabador láser haciendo clic en el botón Papelera. Apague el grabador láser y aspire.
4. Procedimiento de corte
- Encienda el grabador láser, el sistema de escape al vacío y la computadora conectada.
- Mida el tamaño de la superficie del monolito de aerogel que se cortará (en el ejemplo anterior, el tamaño es de 10 cm x 11 cm).
- Para el corte general, abra el programa de dibujo e inicie un nuevo documento. Introduzca las dimensiones del tamaño del documento/pieza para correlacionarlo con el tamaño del monolito de aerogel medido.
- Utilice las herramientas del programa de dibujo para crear la forma o línea que se cortará utilizando un ancho de línea de "línea del cabello". Localice la forma/línea para que coincida con la ubicación de corte deseada en el aerogel.
- Para los patrones de mosaico, importe el archivo guardado previamente (del paso 2.2) y ajuste el tamaño para que coincida con el del monolito de aerogel.
- Obtenga una lámina de acero inoxidable de 0.0005" (0.0127 mm) de espesor lo suficientemente grande como para cubrir la base del monolito de aerogel. Con una toallita de limpieza, limpie el acero inoxidable con acetona.
- Abra la tapa del grabador láser, coloque la lámina de acero inoxidable en la plataforma del grabador láser para evitar que los residuos en la plataforma decoloren el aerogel durante el corte y coloque el monolito de aerogel en la parte superior de la lámina. Alinee el aerogel y la lámina de acero inoxidable en la esquina superior izquierda con el aerogel tocando las reglas superior e izquierda.
- Siga los pasos 3.5-3.8 del procedimiento de grabado anterior.
- Ajuste las propiedades de impresión. Seleccione el modo Vector: un DPI de 600, una Velocidad del 3% (0,27 cm/s), Una Potencia del 90% (45 W) y una Frecuencia de 1.000 Hz. Asegúrese de que el tamaño de la pieza coincida con el tamaño del aerogel medido. La profundidad del corte variará con la velocidad del láser. Véase la Tabla 4 y la Figura 6.
- Siga los pasos 3.10-3.12 del procedimiento de grabado.
- Se dejarán pequeños trozos de aerogel ablatado en la cara del monolito que estaba en contacto con el láser, como se muestra en la Figura 7. Para eliminar las partículas, use un cepillo de espuma y limpie suavemente las piezas.
5. Hacer mosaicos de aerogel
- Para producir un mosaico tricolor, prepare tres monolitos diferentes del mismo grosor pero con diferentes tintes. (También es posible producir mosaicos con tres tonos diferentes, utilizando diferentes monolitos del mismo grosor pero con concentraciones variables del mismo tinte, o incluir aerogel nativo con aerogel teñido en patrones de mosaico).
- Utilice el procedimiento de corte de la sección 4 con el diseño de mosaico de la sección 2.2 para cortar los patrones de mosaico en tres aerogeles de diferentes colores del mismo grosor.
- Coloque los aerogeles de color cortado sobre una superficie plana y limpia.
- Desmonte suavemente cada aerogel de un solo color y separe los componentes del diseño de corte con pinzas o un cuchillo afilado para facilitar la separación y evitar la rotura.
- Cepille suavemente los lados de cada forma con un cepillo de espuma para eliminar el exceso de partículas blancas dejadas por el procedimiento de corte por láser.
- Intercambie las mismas formas con diferentes colores para producir mosaicos multicolores(Figura 8)y ensamble las formas cortadas comprimiéndolas juntas para formar un mosaico completo, que se puede colocar dentro de un marco de vidrio.
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Representative Results
Este protocolo se puede emplear para preparar una amplia variedad de monolitos de aerogel estéticamente agradables para aplicaciones que incluyen, entre otras, arte y diseño de edificios sostenibles. La inclusión en la mezcla precursora de las pequeñas cantidades de tinte empleadas aquí solo se observa que afecta el color del monolito de aerogel resultante; no se observan cambios en otras propiedades ópticas o estructurales.
La Figura 8 muestra un enfoque para preparar un mosaico de aerogel a partir de grandes monolitos de sílice. El mismo patrón (que se muestra en la Figura 3)se corta en tres monolitos de aerogel teñidos diferentes(Figura 8a-c). Las piezas de aerogel se vuelven a ensamblar en un patrón de mosaico(Figura 8d-e). Para preparar una ventana de mosaico, el mosaico de aerogel se puede intercalar entre dos paneles de vidrio o plástico transparente dentro de un conjunto de marco. El uso de un marco de compresión eliminará los espacios entre las piezas reensambladas en el ensamblaje final del mosaico.
Es posible grabar diseños en piezas monolíticas más pequeñas, siguiendo el mismo procedimiento descrito en la sección 3, para obtener arreglos visualmente interesantes. La Figura 9 presenta imágenes de piezas de aerogel teñidas y grabadas en condiciones de iluminación natural(Figura 9a)y bajo luz UV(Figura 9b),destacando la naturaleza fluorescente de los tintes utilizados aquí. Tenga en cuenta que se utilizaron pequeños monolitos de tamaño y forma irregulares para ilustrar la viabilidad del grabado en piezas más pequeñas; el proceso de grabado no hizo que se rompieran.
La Figura 10 presenta un montaje de aerogeles grabados que ilustran diferentes efectos estéticos que se pueden lograr utilizando este protocolo: aerogeles nativos grabados con patrones de diversa densidad (Figura 10a-c), aerogeles con fotografías impresas en la superficie frontal de una superficie plana (Figura 10d) y frente y parte posterior de una superficie curva (Figura 10e) así como un aerogel grabado teñido con fluoresceína (Figura 10f ). El montaje ilustra la versatilidad de los procesos de grabado y teñido.
El grabado da como resultado cambios en la superficie del aerogel, pero la observación visual, la obtención de imágenes y el análisis BET demuestran que deja intacta la estructura a granel6,7. Las fotografías de la Figura 5, figura 6, Figura 7, Figura 8, Figura 9 ilustran que las partes sin grabar del monolito están ilesas. El daño localizado causado por el grabado puede ser fotografiado. La Figura 11 muestra imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de aerogel de sílice grabado. La Figura 11a muestra la interfaz entre las "líneas" grabadas (parte superior derecha de la imagen, con características en un patrón de venación) y el aerogel nanoporoso no grabado (que parece casi suave en este aumento). El grabado causa la ablación del material de la superficie y la fusión de parte de la sílice en estructuras similares a filamentos de cientos de μm de longitud7. La Figura 11b muestra el efecto de un solo pulso láser en el aerogel.
| Tinte y estructura | Punto de fusión (°C) | Relación de masa (colorante/metanol) en solución madre | Imágenes de aerogeles resultantes |
|
Fluoresceína 
|
315 | 0.05% g / g |  |
|
Rodamina B 
|
165 | 0,075% g/g |  |
|
Rodamina 6G 
|
290 | 0,16% g/g |  |
Tabla 1: Información sobre los colorantes. Información sobre los tintes utilizados para hacer aerogeles teñidos de amarillo, rosa y naranja e imágenes representativas. Se logran diferentes tonos diluyendo la mezcla de metanol/colorante con metanol adicional (como se describe en el paso 1.2.2.4.) antes de su uso en la mezcla precursora. Las imágenes se muestran para materiales preparados con dilución 0x (solución de stock, que se muestra a la izquierda), dilución 2x (50% metanol / tinte + 50% metanol, que se muestra en el centro) y dilución 6.67x (15% metanol / tinte + 85% metanol, que se muestra a la derecha).
| Paso | Temperatura (°F, °C) | Velocidad T (°F/min, °C/min) | Fuerza (Kip, kN) | F-Rate (Kip/min, kN/min) | Morada (min) | Duración del paso (min) |
| 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 |
Tabla 2: Parámetros de prensa en caliente.
| Parámetro | Valores |
| Velocidad máxima | 8,9 cm/s (modo vectorial) |
| 208 cm/s (modo ráster) | |
| Potencia máxima | 50 W |
| Rango de frecuencia | 1 - 5000 Hz |
| Resolución de impresión | 75 - 1200 PPP |
Tabla 3: Propiedades del grabador láser.
| Velocidad (cm/s) | Profundidad de corte (mm) |
| 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 |
Tabla 4: Profundidad de corte por láser en función de la velocidad del cabezal láser para una potencia láser del 100% (50 W) y una frecuencia de corte de 500 Hz a través de una muestra de aerogel de 12,7 mm de espesor.
Figura 1: Mantiguo Ensamblaje. Esquemas del(a ) superior (con catorce orificios de ventilación), (b) medio y (c) conjunto del molde inferior. La superficie azul (d) indica la superficie de conexión de la parte inferior (existe una similar en la superficie superior) y las superficies blanquecinos (e) indican las superficies interiores del molde medio e inferior (existe una similar en la superficie superior). Se utiliza un molde de tres partes para facilitar la eliminación del aerogel, si es necesario. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Esquema que muestra la colocación del molde en prensa caliente. (a) Placas de prensado en caliente, (b) junta de grafito, (c) lámina de acero inoxidable, (d) molde de 3 partes. NOTA: Se puede colocar una pieza de lámina de acero inoxidable entre la placa y la junta de grafito para evitar que se pegue a la placa, como se describe en el paso 1.1.12. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3:Ejemplode construcción de un diseño de mosaico. (a) contorno cuadrado creado, (b) líneas diagonales añadidas, (c) círculo añadido, (d) líneas diagonales internas eliminadas, (e) hexágono añadido, y (f) diseño final. Vea la Figura 8 para el mosaico de aerogel construido a partir de este diseño. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Ejemplo de ajuste de una imagen de nube. a) Imagen original. b)Imagen invertida con fondo blanquecino. (c)Imagen original con fondo eliminado y contraste ajustado al 40% para resaltar las características. d)Fotografía del aerogel grabado con la imagen que se muestra en el panel a. El bajo nivel de contraste en la imagen original da como resultado un patrón grabado indistinto. e) Fotografía del aerogel grabado con la imagen que figura en el panel b. Aquí, la nube es más visible, pero el fondo blanquecino da como resultado una menor distinción. Tenga en cuenta que las grietas observadas estaban presentes en el monolito antes del grabado y no se deben al proceso de grabado. f)Fotografía del aerogel grabado con la imagen que se muestra en el panel c. El contraste ajustado y la eliminación del fondo da como resultado una nube más distinta. En todas las imágenes, la nube mide aproximadamente 2 cm de altura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Grabador láser. (a) medidor de enfoque manual, (b) montaje láser y lente, (c) aerogel y (d) plataforma. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Profundidad de corte frente a velocidad del láser. Profundidad de corte versus velocidad del láser (100% corte más a la izquierda, 3% corte más a la derecha) para una potencia del 100% (50 W) y una frecuencia de 500 Hz (ver datos adjuntos en la Tabla 4)para una muestra de aerogel de 12,7 mm de espesor. Esta figura ha sido modificada a partir de Stanec et al.7 La flecha indica el corte que penetró en toda la profundidad del aerogel. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7:Fotografía del bordede aerogel cortado. Se pueden ver piezas de aerogel ablacionado en la superficie más a la izquierda. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Ejemplo de mosaico de aerogel. El patrón final de la Figura 3 cortó en (a) aerogel teñido de rodamina-6G (naranja), (b) aerogel teñido de fluoresceína (amarillo) y (c) aerogel teñido de rodamina-B (rosa) (d,e) piezas de corte individuales reensambladas para formar mosaicos tricolores. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: Muestras de aerogel teñido grabado. Muestras de aerogel teñidas grabadas(a ) en condiciones de iluminación natural y (b) bajo luz UV. Notas: el tamaño de la pieza de aerogel más grande (lado izquierdo, medio) es de aproximadamente 3 cm x 3 cm x 1 cm. Las manchas oscuras observadas se deben a la tinción de la plataforma del grabador láser o son partículas sueltas, en lugar de una indicación de inhomogeneidad en la distribución del tinte. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10: Fotografías de aerogeles grabados. (a) vista del patrón geométrico grabado en la parte delantera y posterior del aerogel, (b) un patrón de grabado denso deja intacta la estructura a granel, (c) grabado del patrón de flores, (d) fotografía (arriba) grabada en aerogel de sílice (abajo), (Esta figura ha sido modificada de Michaloudis et al.6) (e ) fotografía (arriba) de la estatua de Kouros grabada en la parte delantera y trasera del aerogel cilíndrico de diámetro 2,5 cm (tenga en cuenta que la foto original se invirtió para crear un fondo blanco antes del grabado), y (f) imagen grabada en aerogel de sílice teñido con fluoresceína de altura 9 cm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11:Imágenes SEM de un aerogel de sílice que muestran el efecto de (a) líneas de grabado en la parte superior derecha de la imagen y (b) un solo pulso láser. (Esta figura ha sido modificada de Stanec et al.7) Las imágenes muestran cambios estructurales causados por el láser. La barra de escala es de 20 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Este protocolo demuestra cómo se puede emplear el grabado láser y la inclusión de tintes para preparar materiales de aerogel estéticamente agradables.
Hacer monolitos de aerogel grandes (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) requiere una preparación adecuada del molde a través del lijado, la limpieza y la aplicación de grasa para evitar que el aerogel se pegue al molde y se formen grietas importantes. Las partes del molde en contacto directo con la solución precursora / aerogel que pronto se formará son las más críticas. La reducción de la rugosidad de la superficie del molde a través del pulido de la máquina mejorará el rendimiento. Es importante aplicar grasa solo en el perímetro exterior (13 mm) de la parte superior del molde para que cuando se aplique la fuerza de prensa en caliente al molde, la grasa no se filtre en la cavidad del molde. Si la grasa entra en la cavidad, se formarán grietas importantes en el aerogel.
Cuando se utiliza el grabador láser, el aerogel debe colocarse correctamente en la esquina superior izquierda del grabador láser y las dimensiones del aerogel deben corresponder con las del documento del programa de dibujo. La imagen a grabar debe prepararse correctamente eliminando el fondo no blanco, ajustando el contraste para obtener características de definición y resaltado en la imagen. Aunque es posible imprimir patrones densos (ver Figura 8b),si el patrón es demasiado denso, el material ablatado puede separarse de la mayor parte del aerogel. Al cortar a través de un aerogel los parámetros del láser deben ajustarse para evitar la decoloración6,7. Los ajustes de alta frecuencia, alta potencia y baja velocidad causarán más daños. Estos ajustes también afectarán la calidad del corte y la cantidad de daño en la superficie de corte. Las pautas proporcionadas aquí para el nivel de potencia, la frecuencia y la velocidad del láser son para un aerogel de sílice típico de densidad 0.09 g / mL. Es posible que se necesiten ajustes a estos parámetros para aerogeles de diferentes densidades.
Es importante seleccionar tintes que puedan sobrevivir al proceso de fabricación de aerogel RSCE. Deben ser térmicamente estables a 290 ° C (550 ° F) y no deben reaccionar con metanol. Sin embargo, incluso si un tinte cumple con estos requisitos, es posible que no funcione. Además de los tintes descritos anteriormente, probamos Bismarck Brown, Indigo, Brilliant Blue y Congo Red (en un esfuerzo por satisfacer la estética gótica victoriana en los diseños de mosaico). Estos tintes no sobrevivieron al proceso RSCE y dieron lugar a aerogeles blancos turbios opacos. El nivel de concentración de colorante afectó la opacidad del aerogel pero no el color esperado. Si los aerogeles producidos a partir de una solución precursora que incluye colorante no muestran color (lo que indica la descomposición del tinte), la temperatura máxima de procesamiento se puede reducir a 260 ° C, que todavía está por encima de la temperatura supercrítica del metanol. O se puede utilizar un método alternativo de preparación de aerogel (extracción supercrítica de CO2, secado a presión ambiente o liofilización), aunque es probable que los pasos de intercambio de solventes laven una fracción significativa del tinte. Otro método para hacer aerogeles de color es incorporar sales metálicas en la mezcla precursora. Por ejemplo, las sales de cobalto, níquel y cobre se pueden utilizar para producir aerogelesazules 21,verdes22 y rojo-marrones23,respectivamente, a través del método RSCE; sin embargo, los aerogeles resultantes son opacos.
No tenemos conocimiento de ningún otro método para grabar o escribir en una superficie de aerogel. Existen otros métodos para cortar aerogeles, incluido el uso de sierras mecánicas24. Las sierras de diamante pueden cortar el aerogel, pero es difícil evitar el agrietamiento y el exceso de sierra. En aplicaciones para eliminar el polvo espacial de los aerogeles Ishii et al.25,26 demuestran el uso de microcuchillas ultrasónicas para cortar el aerogel y minimizar estos problemas.
La capacidad de teñir y grabar en aerogeles de sílice se puede utilizar para mejorar la estética de los monolitos de aerogel, que en forma nativa sin grabar a menudo exhiben imperfecciones debido a la neblina y la dispersión de la luz. Estamos incorporando los aerogeles estéticamente mejorados resultantes en prototipos de ventanas y esculturas; sin embargo, sería posible utilizar los métodos descritos aquí en otras aplicaciones, incluida la impresión de información de inventario y patrones de objetivos precisos en monolitos de aerogel. Los procedimientos de corte y grabado también ofrecen métodos para mecanizar aerogeles de sílice en formas específicas.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
A los autores les gustaría agradecer el Fondo de Investigación de la Facultad de Union College, el programa de Becas de Investigación Estudiantil y el programa de investigación de pregrado de verano por el apoyo financiero del proyecto. Los autores también desean agradecer a Joana Santos por el diseño del molde de tres piezas, Chris Avanessian por la imagen SEM, Ronald Tocci por el grabado en la superficie curva de aerogel y el Dr. Ioannis Michaloudis por la inspiración y el trabajo inicial en el proyecto de grabado, así como por proporcionar la imagen de Kouros y el aerogel cilíndrico.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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