レーザーエッチングと染料の組み込みによる美的強化シリカ・アエロゲル

このプロトコルは、レーザー彫刻システムを使用して、プレーンで染色されたAerogelをエッチングおよび切断するための最初の視覚的方法論を提示します。この技術の主な利点は、任意の形状、サイズ、または色のアエロゲルモノリスをエッチングすることができるので、そのシンプルさです。ビデオプレゼンテーションでは、アエロゲルの配置やレーザーカッターのアライメントなど、プロトコルの実用的な考慮事項のデモンストレーションが可能です。

Aerogel モノリス製造用の金型を作成するには、中心の 10 x 11 センチメートルのキャビティで 15.24 x 14 センチメートルの外側の寸法を持つ上部、中央、および底部から成る 3 部の鋼製金型を選択します。金型の上部には、各側に7つの0.08センチメートルの通気孔が必要です。希釈した石鹸と粗いテクスチャースポンジを使用して、金型の上部、中央、底部をこすり、金型のきれいな部分をすべてペーパータオルで乾燥させます。

乾燥後、個々の使い捨てのアセトン浸漬クリーニングワイプを使用して、クリーニングワイプが清潔になるまで金型を拭きます。次に、2,000グリットサンドペーパーを使用して、金型が滑らかで、以前の使用物の残留物が取り除かれるまで、すべての表面を軽く砂で砂に入れ、エアロゲルが形成される中間型の内側に特別な注意を払います。圧縮空気で上部金型部品の通気孔を取り除き、下部金型の上部接続面全体に1~2ミリメートルの高真空グリースを手動で塗布し、厚い場合は1~2ミリのグリスを、1~2ミリ層であっても上部金型の底部接続面の外側半分に塗布します。

上および底部の型の内側の表面に0.5ミリメートル未満の層に約0.5ミリリットルの高真空グリースを塗布し、表面が滑らかでグリースから粘着性が残らないまで、使い捨て洗浄ワイプを使用して余分なグリースを拭き取ります。0.5ミリ未満のグリースの中の高真空グリースを、中央金型の内側の表面に手動で塗布します。エッチングパターンファイルを準備するには、適切な図面アプリケーションで新しいドキュメントを開き、任意のサイズと線幅のテキストまたは画像をドキュメントに直接追加してから、ファイルを保存します。

エアロゲルモノリスをエッチングするには、まずレーザー彫刻機、真空排気システム、および接続されたコンピュータをオンにします。エッチングされるエアロゲルモノリス表面のサイズを測定し、エッチングパターンファイルを開きます。測定された Aerogel モノリス サイズに対応するようにドキュメントの寸法サイズを設定し、レーザー彫刻の蓋を開きます。

手袋をはめた手を使用して、Aerogelをレーザー彫刻機のプラットフォームに配置し、左上隅の Aerogel を上部と左の定規に触れて位置合わせします。レーザーに取り付けられたV字磁石マニュアルフォーカスゲージを上下逆さまに反転し、レーザー彫刻機のFocusを押します。使い捨て洗浄ワイプでエアロゲルモノリスを保護し、レーザー彫刻ツールコントロールパネルの上矢印を使用して、手動フォーカスゲージの下部がAerogelに触れるまでレーザー彫刻機プラットフォームを移動します。

ワイプを取り外し、ゲージを元の位置に戻します。レーザー彫刻の蓋を閉じ、描画プログラムで[ファイルと印刷]をクリックします。印刷場所としてレーザー彫刻を選択し、環境設定ウィンドウを開いてプリンタのプロパティを設定します。

DPI の中でラスター モードを選択し、速度 100%、55%の累乗を選択して、測定された Aerogel モノリス サイズとピース サイズが一致することを確認し、[適用して印刷] をクリックします。レーザー彫刻のフロントパネルで、[ジョブ]をクリックし、対応するファイル名を選択します。[Go.]をクリックします。レーザー彫刻が完了したら、[フォーカス]をクリックし、レーザー彫刻のフロントコントロールパネルの下矢印を使用してベースを下げます。

手袋をはめた手を使用して、Aerogelをレーザー彫刻機のプラットフォームからコンテナにそっと移し、[ゴミ箱]をクリックして彫刻家からジョブをパージします。エアロゲルモノリスをカットするには、レーザー彫刻機、真空排気システム、および取り付けられたコンピュータをオンにして、切断するアエロゲルモノリス表面のサイズを測定します。一般的な切削の場合は、図面プログラムで新しいドキュメントを開き、測定された Aerogel モノリス サイズと相関するドキュメント サイズの寸法を入力します。

ヘアライン幅描画ツールを使用して、カットするパターンを作成し、Aerogel 上の目的のカット位置に合わせてパターンを配置します。アセトンでアエロゲルモノリスのベースを覆うのに十分な大きさのステンレス箔の厚さ0.0127ミリメートルのシートをクリーニングし、レーザー彫刻機プラットフォームにホイルを置きます。左上隅にあるエアロゲルとステンレススチールのホイルを上部と左の定規に触れ、実演したようにゲージの位置を調整します。

図面プログラムで[ファイルと印刷]をクリックし、印刷場所としてレーザー彫刻を選択し、環境設定ウィンドウを開いてプリンタのプロパティを設定します。ベクトルモードを選択し、DPIを600に、速度を3%に設定して90%、周波数を1,000ヘルツに設定します。ピースサイズが測定されたエアロゲルサイズと一致することを確認します。

カットの深さはレーザー速度によって異なります。「ジョブと移動」をクリックして、示されているように切断を開始します。サンプルを採取した後、泡ブラシを使用して、レーザーに接触していたモノリスの顔に残されたアブレートされたアエロゲルの小片を静かに取り除きます。

このエアロゲルモザイクアプローチでは、同じパターンを3つの異なる染色されたエアロゲルモノリスに切断し、断片をモザイクパターンに再構成した。小さな部分でも自然光と紫外線条件下で視覚的に興味深い配置を得るために実証されるように、より小さなモノリシックな部分にエッチングデザインすることが可能です。図示されているように、ネイティブエアロゲルは、平面アエロゲルの前面、曲面、蛍光染めエアロゲルに印刷された写真で、さまざまな密度のパターンでエッチングすることができます。

このエッチングされたシリカ・アエロゲルの走査型電子顕微鏡画像では、エッチングラインとほぼ滑らかなナノ多孔質のアエロゲルとの界面が観察できる。エッチングは、この画像で観察されたように表面材料のアブレーションと融解を引き起こし、エアロゲルの単一のレーザーパルスの効果を示す。エッチングする画像のコントラスト調整を含む慎重な準備は、高品質の結果を達成するために重要です。

レーザーエッチング法をさらに改良することで、シリカ・エアロゲルのマイクロ加工に代わるものが提供される可能性があります。審美的なエアロゲルモノリスは、アートワークや持続可能な建物を含む多種多様な分野でアプリケーションを見つけることができます。