Эстетически улучшенный аэрогель кремнезема с помощью лазерного травления и красителей
Summary
Этот протокол описывает способ травления текста, узоров и изображений на поверхности монолитов аэрогеля кремнезема в нативной и окрашенной форме и сборки аэрогелей в мозаичные конструкции.
Abstract
В данной рукописи описана процедура эстетического усиления монолитов аэрогеля кремнезема методом лазерного травления и включения красителей. Используя быстрый сверхкритический метод экстракции, большой монолит аэрогеля кремнезема (10 см х 11 см х 1,5 см) может быть изготовлен примерно за 10 ч. Красители, включенные в смесь прекурсоров, приводят к получению аэрогелей желтого, розового и оранжевого оттенка. Текст, узоры и изображения могут быть выгравированы на поверхности (или поверхностях) аэрогелевого монолита без повреждения объемной структуры. Лазерный гравер можно использовать для вырезания фигур из аэрогеля и формирования красочных мозаик.
Introduction
Аэрогель кремнезема представляет собой нанопористый, с высокой площадью поверхности, акустически изоляционный материал с низкой теплопроводностью, который может быть использован в ряде применений от сбора космической пыли до строительного изоляционного материала1,2. При изготовлении в монолитном виде аэрогели кремнезема являются полупрозрачными и могут быть использованы для изготовления высокоизоляционных окон3,4,5.
Недавно мы продемонстрировали, что можно изменить внешний вид аэрогеля кремнезема путем травления или разрезания поверхности с помощью системы лазерной гравировки6,7, не вызывая объемного структурного повреждения аэрогеля. Это может быть полезно для создания эстетических улучшений, печати инвентарной информации и обработки аэрогелевых монолитов в различные формы. Было показано, что фемтосекундные лазеры работают для грубой «микрообработки» аэрогелей8,9,10,11; однако текущий протокол демонстрирует возможность изменения поверхности аэрогелей с помощью простой системы лазерной гравировки. В результате этот протокол широко применим к художественному и техническому сообществам.
Также возможно включение красителей в смесь химических прекурсоров аэрогеля и тем самым изготовление аэрогелей, легированных красителем, с различными оттенками. Этот метод был использован для изготовления химических датчиков12,13,для улучшения обнаруженияЦеренкова 14,и по чисто эстетическим соображениям. Здесь мы демонстрируем использование красителей и лазерного травления для приготовления эстетически приятных аэрогелей.
В следующем разделе мы описываем процедуры изготовления больших монолитов аэрогеля кремнезема, изменение процедуры подготовки монолита для включения красителей, травления текста, узоров и изображений на поверхности аэрогелевого монолита и вырезания форм из больших окрашенных монолитов для сборки в мозаику.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол демонстрирует, как лазерное травление и включение красителей могут быть использованы для приготовления эстетически приятных аэрогелевых материалов.
Изготовление больших (10 см х 11 см х 1,5 см) аэрогелевых монолитов требует надлежащей подготовки формы путем …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Исследовательский фонд факультета Юнион-колледжа, программу студенческих исследовательских грантов и летнюю исследовательскую программу бакалавриата за финансовую поддержку проекта. Авторы также хотели бы поблагодарить Джоану Сантос за дизайн трехкомпонной формы, Криса Аванесяна за визуализацию SEM, Рональда Точчи за травление на изогнутой аэрогелевой поверхности и доктора Иоанниса Михалудиса за вдохновение и первоначальную работу над проектом офорта, а также за предоставление изображения Куроса и цилиндрического аэрогеля.
Materials
| 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
- Aegerter, M. A., Leventis, N., Koebel, M. M. . Aerogels Handbook. , (2011).
- Pierre, A. C., Pajonk, G. M. Chemistry of aerogels and their applications. Chemical Reviews. 102 (11), 4243-4266 (2002).
- Zinzi, M., et al. Optical and visual experimental characterization of a glazing system with monolithic silica aerogel. Solar Energy. 183, 30-39 (2019).
- Bhuiya, M. M. H., et al. Preparation of monolithic silica aerogel for fenestration applications: scaling up, reducing cycle time, and improving performance. Industrial & Engineering Chemistry Research. 55 (25), 6971-6981 (2016).
- Jelle, B. P., et al. Fenestration of today and tomorrow: A state-of-the-art review and future research opportunities. Solar Energy Materials and Solar Cells. 96, 1-28 (2012).
- Michalous, I., Carroll, M. K., Kupiec, S., Cook, K., Anderson, A. M. Facile method for surface etching of silica aerogel monoliths. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 87 (1), 22-26 (2018).
- Stanec, A. M., Anderson, A. M., Avanessian, C., Carroll, M. K. Analysis and characterization of etched silica aerogels. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 94, 406-415 (2020).
- Sun, J., Longtin, J. P., Norris, P. M. Ultrafast laser micromachining of silica aerogels. Journal of Non-Crystalline Solids. 281 (1-3), 39-47 (2001).
- Bian, Q., et al. Micromachining of polyurea aerogel using femtosecond laser pulses. Journal of Non-Crystalline Solids. 357 (1), 186-193 (2011).
- Yalizay, B., et al. Versatile liquid-core optofluidic waveguides fabricated in hydrophobic silica aerogels by femtosecond-laser ablation. Optical Materials. 47, 478-483 (2015).
- Vainos, N. A., Karoutsos, V., Mills, B., Eason, R. W., Prassas, M. Isotropic contractive scaling of laser written microstructures in vitrified aerogels. Optical Materials Express. 6 (12), 3814-3825 (2016).
- Plata, D. L., et al. Aerogel-platform optical sensors for oxygen gas. Journal of Non- Crystalline Solids. 350, 326-335 (2004).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Aegerter, M., Leventis, N., Koebel, M. Aerogels as platforms for chemical sensors. Aerogels Handbook. Advances in Sol-Gel Derived Materials and Technologies. , (2011).
- Bockhorst, M., Heinloth, K., Pajonk, G. M., Begag, R., Elaloui, E. Fluorescent dye doped aerogels for the enhancement of Cerenkov light detection. Journal of Non-Crystalline Solids. 186, 388-394 (1995).
- Carroll, M. K., Anderson, A. M., Gorka, C. A. Preparing silica aerogel monoliths via a rapid supercritical extraction method. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (84), e51421 (2014).
- Gauthier, B. M., Bakrania, S. D., Anderson, A. M., Carroll, M. K. A fast supercritical extraction technique for aerogel fabrication. Journal of Non-Crystalline Solids. 350, 238-243 (2004).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and device for fabricating aerogels and aerogel monoliths obtained thereby. U.S. Patent. , (2011).
- Gauthier, B. M., Anderson, A. M., Bakrania, S. D., Mahony, M. K., Bucinell, R. B. Method and device for fabricating aerogels and aerogel monoliths obtained thereby. U.S. Patent. , (2008).
- Estok, S. K., Hughes, T. A., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Fabrication and characterization of TEOS-based silica aerogels prepared using rapid supercritical extraction. Journal of Sol-gel Science and Technology. 70 (3), 371-377 (2014).
- Roth, T. B., Anderson, A. M., Carroll, M. K. Analysis of a rapid supercritical extraction aerogel fabrication process: Prediction of thermodynamic conditions during processing. Journal of Non-Crystalline Solids. 354 (31), 3685-3693 (2008).
- Bouck, R. M., Anderson, A. M., Prasad, C., Hagerman, M. E., Carroll, M. K. Cobalt-alumina sol gels: Effects of heat treatment on structure and catalytic ability. Journal of Non-Crystalline Solids. 453, 94-102 (2016).
- Dunn, N. J. H., Carroll, M. K., Anderson, A. M. Characterization of alumina and nickel-alumina aerogels prepared via rapid supercritical extraction. Polymer Preprints. 52 (1), 250-251 (2011).
- Tobin, Z. M., et al. Preparation and characterization of copper-containing alumina and silica aerogels for catalytic applications. Journal of Sol-gel Science and Technology. 84 (3), 432-445 (2017).
- Tsou, P., Brownlee, D. E., Glesias, R., Grigoropoulos, C. P., Weschler, M. Cutting silica aerogel for particle extraction. Lunar and Planetary Science XXXVI. Part 19. , (2005).
- Ishii, H. A., et al. Rapid extraction of dust impact tracks from silica aerogel by ultrasonic microblades. Meteoritics & Planetary Science. 40 (11), 1741-1747 (2005).
- Ishii, H. A., Bradley, J. P. Macroscopic subdivision of silica aerogel collectors for sample return missions. Meteoritics & Planetary Science. 41 (2), 233-236 (2006).
