Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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。
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Protocol
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。
- 准备模具
注意：所有解决方案准备工作应戴手套和安全护目镜在烟雾罩中进行。- 获得一个由三部分（4140合金）钢模组成的顶部、中间和底部，外尺寸为15.24厘米×14厘米，中间为10厘米×11厘米腔（见 图1）。模具的顶部有14个0.08厘米的通风孔，每侧有7个。此模具组件将产生 10 厘米 x 11 厘米 x 1.5 厘米气凝胶。
注：可使用不同尺寸的模具：然而，参数将需要调整，如罗斯，安德森和卡罗尔20描述。 - 使用稀释肥皂和粗糙的纹理海绵擦洗和清洁模具的顶部、中间和底部。用干净的纸巾干燥模具的所有部分。
- 将 20 mL 的丙酮倒入 50 mL 或更大的烧杯中。将一次性清洁湿巾浸入丙酮中，然后使用新的清洁湿巾擦拭每个部分的模具。重复上述步骤，直到擦拭后清洁擦拭显示干净。
- 用 2，000 砂砂纸轻轻砂所有表面，直到模具光滑到触摸，并且已去除以前使用中的任何残留物。格外注意形成气凝胶的中间模具内部。
- 将压缩空气流过顶部模具部分的通风孔以清除它们。
- 挤出约2.4 mL的高真空润滑脂，手动将厚的、均匀的1-2毫米油脂层涂抹到底部模具的整个（26毫米）顶部连接表面（见图1）。
- 挤出约1.0 mL的高真空润滑脂，手动将厚，甚至1-2毫米的润滑脂层涂抹到顶部模具底部连接表面的外半部分（13毫米）（见图1）。
- 挤出约0.5mL的高真空润滑脂，并手动应用薄（小于0.5毫米），甚至一层润滑脂到顶部和底部模具的内部表面（那些表面，将接触前体溶液和由此产生的气凝胶，见图1）。
- 用一次性清洁擦拭擦去多余的润滑脂，直到表面感觉光滑，不会感觉到油脂的粘性。
- 挤出约0.5mL的高真空润滑脂，并手动涂抹薄（小于0.5毫米），甚至一层油脂到中间模具的内部表面（见 图1）。不要擦去多余的油脂。
- 将中间模具部分放在底部模具部分的顶部。使用覆盖着一次性清洁湿巾的橡胶锤（以保护模具表面），轻轻地将中间部分锤击到底部，直到两侧均匀密封。
- 使用两块 0.0005 英寸（0.0127 毫米）厚 16 厘米 x 15 厘米的不锈钢箔片和一块 0.0625 英寸（1.59 毫米）厚 16 厘米 x 15 厘米的柔性石墨板，制作一个由夹在两层不锈钢箔之间的石墨组成的底部垫片。为模具顶部制作类似的垫片。
- 将底部垫片放在下热压板上，然后将组装好的中底模具片放在垫片顶部（见 图2）。确保模具组装放置在热压板的中心，并使用热压机在模具上施加 90 kN 力约 5 分钟，以密封两块。
- 从热压机中取出模具。使用一次性清洁擦拭去除可能挤出中间和底部之间的多余的润滑脂。确保模具内部表面没有碎屑。
- 获得一个由三部分（4140合金）钢模组成的顶部、中间和底部，外尺寸为15.24厘米×14厘米，中间为10厘米×11厘米腔（见 图1）。模具的顶部有14个0.08厘米的通风孔，每侧有7个。此模具组件将产生 10 厘米 x 11 厘米 x 1.5 厘米气凝胶。
- 准备气凝胶前体混合物
注：此配方用于基于 TMOS 的二氧化硅气凝胶，可在上面描述的第 1.1 节中的模具中制成。只要前体配方凝胶在室温下需要超过 15 分钟，但不到 120 分钟（例如，请参阅 Estok 等人19， 用于适合的四乙基骨硅酸盐 RSCE 配方），就可以使用任何合适的二氧化硅配方。气凝胶可以用原生（第 1.2.1 步）或染色形式（第 1.2.2 步）准备。所有解决方案准备工作均使用手套和安全护目镜在烟雾罩中执行。- 原生气凝胶
- 收集以下试剂：TMOS、甲醇、去离子水和 150 万氨。
- 使用分析平衡测量 34.28 克 TMOS 到干净的 250 mL 烧饼。将测量的 TMOS 倒入干净的 600 mL 烧杯中，并盖上石蜡薄膜。
- 使用分析平衡测量 85.76 克甲醇到另一个 250 mL 烧饼。将测量的甲醇倒入含有 TMOS 的 600 mL 烧杯中，并盖上石蜡薄膜。
- 使用分析平衡测量 14.14 克去离子水进入 50 mL 烧饼。使用微管将 1.05 mL 的 1.5 M 氨添加到烧嘴水中。轻轻搅拌。
- 将水和氨混合物倒入 600 mL 烧杯中，并加入剩余的试剂，并盖上石蜡薄膜。将烧甲机放入声波器中，并放声波5分钟。
- 染料掺杂的气凝胶
注：如果采用不同的程序，涉及溶剂交换，大量的染料将在交换期间冲洗：因此，由此产生的气凝胶的颜色不会像这里展示的那么鲜艳。- 收集以下试剂：四甲基正硅酸盐（TMOS）、甲醇、去离子水、150万氨和合适的染料。
- 使用分析平衡测量 34.28 克 TMOS 到干净的 250 mL 烧饼。将测量的 TMOS 倒入干净的 600 mL 烧杯中，并盖上石蜡薄膜。
- 使用分析平衡测量 42.88 克甲醇到 250 mL 烧嘴。将测量的甲醇倒入含有 TMOS 的 600 mL 烧杯中，并盖上石蜡薄膜。使用分析平衡测量 250 mL 烧甲机中另外 42.88 克甲醇。
- 使用分析平衡测量 0.050 克荧光素（制作黄色气凝胶）或 0.042 克罗达明 B（制作粉红色气凝胶）或 0.067 克罗达明 6 G（制作橙色气凝胶）到 10 mL 烧饼中。将染料加入含有甲醇的 250 mL 烧饼中，轻轻混合至溶解。
注：这些说明用于马赛克设计中使用的气凝胶：染料浓度可以改变，以改变产生的气凝胶的颜色深度（见表1）。 - 将染料溶液倒入含有 TMOS 的 600 mL 烧杯中，并盖上石蜡薄膜。
- 使用分析平衡测量 14.14 克去离子水进入 50 mL 烧饼。使用微管将 1.05 mL 的 1.5 M 氨添加到烧嘴水中。
- 将水和氨混合物倒入 600 mL 烧杯中，并加入剩余的试剂，并盖上石蜡薄膜。将烧甲机放入声波器中，并放声波5分钟。
- 原生气凝胶
- 执行快速超临界提取
注：此程序使用装有安全防护罩的 30 吨可编程热压机。应佩戴手套和安全护目镜。- 将热压提取程序与 表 2中显示的参数进行编程。参数设置为准备 10 厘米 x 11 厘米 x 1.5 厘米的气凝胶在模具中描述的步骤 1.1.1。如果使用不同尺寸的模具，参数将需要调整，如罗斯，安德森和卡罗尔20描述。
- 将中间/底部模具组装放回热压机底部垫片顶部。确保模具放置在热压板的中心（见图2）。
- 将气凝胶前体溶液（原生或含染料）倒入模具中，直到溶液从顶部±2 mm。这将确保模具在添加模具顶部时完全充满前体溶液。烧煤机中将残留约 10 mL 的混合物，可丢弃或允许在室温下凝胶。
- 小心地将模具的顶部放置在中间/底部模具组件的位置。多余的溶液可能会从模具顶部的通风孔中出来，因为它被放置在中间模具上。用一次性清洁擦拭擦拭溶液。
- 将一次性清洁湿巾放在模具顶部，以保护模具表面。使用橡皮锤轻轻敲击顶部模具，直到其两侧均匀密封。
- 将顶部垫片放在组装模具的顶部;关闭安全防护罩并启动热压程序。当系统升温时，前体混合物凝胶。整个过程将需要10.25小时完成这个大小的气凝胶。
- 从模具中取出气凝胶巨石
注意：处理气凝胶巨石时应佩戴手套。- 提取过程完成后，打开安全防护罩，取出模具，并将其放置在干净的工作表面上。
- 将平头螺丝刀插入顶部和中间模具之间的腔中（见 图1）。将戴手套的手放在模具背面，向下推螺丝刀以分离顶部和中间模具部件。
- 一旦密封被打破，重复步骤 1.4.2，绕着模具的边缘转，同时将螺丝刀向下推以释放顶部模具部分。在必要时放置戴手套的手，在打开模具时压住模具。
- 当顶部模具的四面均从中间模具中分离时，移除顶部模具。将顶部模具放在一边。
- 获得一个盖子容器，大到足以容纳气凝胶;取下盖子，将容器底部倒置在中间模具顶部，容器和模具腔对齐。将模具翻转过来;气凝胶应轻轻地掉入容器中。
- 将盖子放回容器上以保护气凝胶。在进行任何蚀刻或切割之前，气凝胶可以无限期地储存。
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。
- 文本文件
- 打开绘图应用程序并启动新文档。将任何大小、行宽和样式所需的文本直接添加到文档中。
- 保存文件。
- 模式文件
- 打开绘图应用程序并启动新文档。
- 使用所需的线宽将行和形状直接添加到文档中。
- 要设计一个马赛克图案，将从气凝胶巨石上切割（而不是蚀刻），请使用工具箱中的形状和线条，并将所有线宽设置为发际线。请参阅 图 3， 以示马赛克图案。
- 保存文件。
- 图像文件
- 选择图像并使用任何图像处理程序进行编辑。
- 使用图像处理软件删除图像中未打印的非白色部分。请参阅 图 4 以示示。
注：蚀刻发生在任何非白色位置。 - 将图像转换为灰度，以视觉指示蚀刻图像的外观，并调整图像色调之间的对比度，直到满足于存在足够的对比度以显示所需的特征（见图4）。
注：所需的对比度水平将取决于用户希望蚀刻到气凝胶上的图像中的细节量。绘图程序应提供指导，但用户可能需要尝试不同的对比度水平，以达到预期的结果。 - 打开绘图应用程序并启动新文档。将图像上传到绘图程序。
- 保存文件。
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。
- 打开激光雕刻机、真空排气系统和连接的计算机。
- 测量将蚀刻的气凝胶单片表面的大小（如上所示，大小为 10 厘米 x 11 厘米）。
- 启动绘图程序并打开以前保存的文件（从步骤 2.1、2.2 或 2.3 开始）。将文档的尺寸/件大小设置为对应测量的气凝胶单片大小。
- 打开激光雕刻机的盖子。使用戴手套的手，将气凝胶（原生或染色）放在激光雕刻平台上，如图 5所示。将气凝胶对齐在左上角，使气凝胶接触顶部和左侧的统治者。
- 将 V 形磁铁手动对焦计连接到激光上，然后倒置。按 聚焦 激光雕刻机。
注：由于硅气凝胶巨石的透明度，有必要手动设置蚀刻的重点参数。请不要使用自动对焦。 - 将一次性清洁湿巾放在气凝胶巨石上以保护它。使用激光雕刻控制面板上的上箭头，移动激光雕刻平台，直到手动对焦仪表的底部接触气凝胶。
- 取出一次性清洁湿巾，将仪表返回到原来的位置。关闭激光雕刻盖。
- 在绘图程序中，单击 "文件 "然后 打印。选择绘图程序作为打印位置，并打开 属性 窗口。
- 通过选择 Raster 模式来调整属性 ：DPI 为 600， 速度 为 100%（208 厘米/小时）， 功率 为 55%（27.5 W）。确认片体大小与测量的气凝胶单片尺寸匹配。单击 "应用 "，然后 "打印"。
- 在激光雕刻机的前面板上，单击 "工作" 并选择相应的文件名称。点击 去。
- 激光雕刻机完成后，单击 "聚焦"， 并使用激光前控制面板上的向下箭头降低底座。使用戴手套的手，轻轻地从激光雕刻平台上取下气凝胶，并将其放回容器中。
- 通过单击 垃圾 按钮从激光雕刻机中清除作业。关闭激光雕刻机和真空。
4. 切割程序
- 打开激光雕刻机、真空排气系统和连接的计算机。
- 测量将被切割的气凝胶单片表面的大小（如上所示，尺寸为 10 厘米 x 11 厘米）。
- 对于一般切割，打开绘图程序并启动新文档。输入文档/件大小的尺寸，以与测量的气凝胶单片大小相关联。
- 使用绘图程序中的工具创建将使用"发际线"线宽度切割的形状或线条。定位形状/线，以匹配气凝胶上所需的切割位置。
- 对于马赛克图案，导入以前保存的文件（从步骤 2.2），并调整大小以匹配气凝胶单片。
- 获得一块 0.0005 英寸（0.0127 毫米）厚的不锈钢箔，其大到足以覆盖气凝胶巨石的底座。使用清洁湿巾，用丙酮清洁不锈钢。
- 打开激光雕刻机的盖子，将不锈钢箔放在激光雕刻平台上，以防止平台上的残留物在切割过程中使气凝胶变色，并将气凝胶单片放在铝箔上。将空气凝胶和不锈钢箔对齐在左上角，气凝胶接触顶部和左侧的统治者。
- 按照上述蚀刻程序的步骤 3.5-3.8 进行。
- 调整打印属性。选择 矢量 模式 ：DPI 为 600， 速度 为 3%（0.27 cm/s）、 功率 为 90% （45 W）和 频率 为 1，000 Hz. 确保片体大小与测量的气凝胶大小相匹配。切割的深度会随着激光速度而变化。请参阅 表 4 和 图 6。
- 遵循蚀刻过程的第 3.10-3.12 步。
- 小块的消融气凝胶将留在与激光接触的巨石的脸上，如图 7所示。要去除颗粒，请使用泡沫刷轻轻擦去碎片。
5. 制作有氧马赛克
- 要产生三色马赛克，要准备三块厚度相同但染料不同的单片。（也可以产生三种不同色调的马赛克，使用相同厚度但相同染料浓度不同的单片，或在马赛克图案中加入具有染色气凝胶的本地气凝胶。
- 使用第 4 节中的切割程序，从第 2.2 节开始采用马赛克设计，将马赛克图案切割成三种相同厚度的不同颜色的气凝胶。
- 将切割的彩色气凝胶放在平坦、干净的表面上。
- 轻轻拆卸每个单色气凝胶，并使用钳子或锋利的刀子分离切割设计的部件，以方便分离和防止破损。
- 用泡沫刷轻轻刷每个形状的两侧，以去除激光切割程序留下的多余的白色颗粒。
- 用不同的颜色交换相同的形状，以产生五颜六色的马赛克（图8），并通过压缩它们一起组装切割形状，形成一个完整的马赛克状瓷砖，可以放置在玻璃框架内。
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Representative Results
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。
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Discussion
该协议演示了如何利用激光蚀刻和染料的加入来准备美观的气凝胶材料。
制造大（10 厘米 x 11 厘米 x 1.5 厘米）气凝胶巨石需要通过打磨、清洁和润滑脂应用进行适当的模具制备，以防止气凝胶粘附在模具上，防止形成主要裂缝。与前体溶液直接接触/即将形成气凝胶的模具部件是最关键的。通过机器抛光降低模具的表面粗糙度将提高性能。重要的是，只将润滑脂涂抹在模具顶部的外周（13 mm）上，以便当热压力应用于模具时，润滑脂不会渗入模具的腔中。如果油脂进入腔内，气凝胶中将形成主要裂缝。
使用激光雕刻机时，需要正确放置在激光雕刻机的左上角，气凝胶的尺寸需要与绘图程序文档的尺寸相对应。要蚀刻的图像必须通过删除非白色背景、调整对比度以获得图像中的定义和突出显示特征来进行适当的准备。虽然可以打印密集的图案（见图8b），如果图案太密集，消融材料可以从大部分气凝胶中分离出来。切割气凝胶时，应调整激光参数，以避免变色6，7。高频、高功率和低速设置将造成更大的损坏。这些设置也会影响切割质量以及切割表面的损坏量。这里提供的激光功率水平、频率和速度的指南是针对密度为 0.09 g/mL 的典型硅气凝胶。不同密度的气凝胶可能需要对这些参数进行调整。
选择能够在RSCE气凝胶制造过程中存活下来的染料非常重要。它们需要在 290 °C （550 °F） 处保持热稳定，并且不能对甲醇做出反应。但是，即使染料符合这些要求，它也可能不起作用。除了上述染料，我们测试了俾斯麦布朗，蓝蓝，灿烂的蓝色和刚果红（努力满足维多利亚哥特式美学马赛克设计）。这些染料在RSCE过程中无法存活，导致不透明的多云白色气凝胶。染料的浓度水平影响气凝胶的不透明性，但影响预期颜色。如果由包括染料的前体溶液产生的气凝胶没有显示颜色（指示染料分解），则最高加工温度可降低至 260 °C，但仍高于甲醇的超临界温度。或者可以使用替代气凝胶制备方法（CO2 超临界萃取、环境压力干燥或冷冻干燥），尽管溶剂交换步骤可能会冲走染料的很大一部分。制作彩色气凝胶的另一种方法是将金属盐加入前体混合物中。例如，钴、镍和铜盐可分别通过RSCE方法生产蓝色21、绿色22 和红褐色气凝胶23：然而，由此产生的气凝胶是不透明的。
我们不知道任何其他蚀刻或写在气凝胶表面的方法。还有其他方法来切割气凝胶，包括使用机械锯24。钻石锯可以切割气凝胶，但很难避免开裂和过度锯角。在清除空气凝胶石井等人的空间灰尘的应用中，26日演示了使用超声波微刀片来切割气凝胶并尽量减少这些问题。
将二氧化硅气凝胶染色和蚀刻的能力可用于增强气凝胶巨石的美观性，在原生未蚀刻形式中，由于雾霾和光散射，这些巨石往往表现出不完美。我们将由此产生的美学增强型气凝胶整合到窗口原型和雕塑中;但是，可以使用其他应用中描述的方法，包括将库存信息和精确的目标模式打印到气凝胶巨石上。切割和蚀刻程序还提供了将二氧化硅气凝胶加工成特定形状的方法。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
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。
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. |
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