Aerogel di silice esteticamente migliorato tramite incorporazione di incisioni e coloranti laser
Summary
Questo protocollo descrive un metodo per incidere testo, modelli e immagini sulla superficie dei monoliti di aerogel di silice in forma nativa e tinta e assemblare gli aerogel in disegni a mosaico.
Abstract
Una procedura per migliorare esteticamente i monoliti di aerogel di silice mediante incisione laser e incorporazione di coloranti è descritta in questo manoscritto. Utilizzando un rapido metodo di estrazione supercritica, il monolite di aerogel di silice di grandi dimensioni (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) può essere fabbricato in circa 10 ore. I coloranti incorporati nella miscela precursore provocano aerogel tinti di giallo, rosa e arancione. Testo, motivi e immagini possono essere incisi sulla superficie (o sulle superfici) del monolite di aerogel senza danneggiare la struttura di massa. L’incisore laser può essere utilizzato per tagliare forme dall’aerogel e formare mosaici colorati.
Introduction
L’aerogel di silice è un materiale nanoporoso, ad alta superficie, acusticamente isolante con bassa conduttività termica che può essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, dalla raccolta della polvere spaziale al materiale isolante per l’edilizia1,2. Se fabbricati in forma monolitica, gli aerogel di silice sono traslucidi e possono essere utilizzati per realizzare finestre altamente isolanti3,4,5.
Recentemente, abbiamo dimostrato che è possibile alterare l’aspetto di un aerogel di silice incidendo o tagliando la superficie utilizzando un sistema di incisione laser6,7 senza causare danni strutturali di massa all’aerogel. Ciò potrebbe essere utile per apportare miglioramenti estetici, stampare informazioni di inventario e lavorare monoliti di aerogel in varie forme. I laser a femtosecondi hanno dimostrato di funzionare per la “micro-lavorazione” grezza di aerogel8,9,10,11; tuttavia, l’attuale protocollo dimostra la capacità di alterare la superficie degli aerogel con un semplice sistema di incisione laser. Di conseguenza, questo protocollo è ampiamente applicabile alle comunità artistiche e tecniche.
È anche possibile incorporare coloranti nella miscela di precursori chimici aerogel e quindi produrre aerogel drogati con coloranti con una gamma di tonalità. Questo metodo è stato utilizzato per fabbricare sensori chimici12,13,per migliorare il rilevamento di Cerenkov14e per ragioni puramente estetiche. Qui, dimostriamo l’uso di coloranti e incisioni laser per preparare aerogel esteticamente gradevoli.
Nella sezione che segue, descriviamo le procedure per realizzare grandi monoliti di aerogel di silice, alterando la procedura di preparazione del monolite per incorporare coloranti, incidendo testo, motivi e immagini sulla superficie di un monolite di aerogel e tagliando forme da grandi monoliti tinti per essere assemblati in mosaici.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo dimostra come l’incisione laser e l’inclusione di coloranti possano essere impiegate per preparare materiali aerogel esteticamente gradevoli.
La realizzazione di monoliti di aerogel di grandi dimensioni (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) richiede una corretta preparazione dello stampo attraverso la levigatura, la pulizia e l’applicazione del grasso per evitare che l’aerogel si attacchi allo stampo e si formino crepe importanti. Le parti dello stampo a diretto contatto con la soluzione …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori vorrebbero riconoscere l’Union College Faculty Research Fund, il programma Student Research Grant e il programma di ricerca universitaria estivo per il sostegno finanziario del progetto. Gli autori vorrebbero anche ringraziare Joana Santos per il design dello stampo a tre pezzi, Chris Avanessian per l’imaging SEM, Ronald Tocci per l’incisione sulla superficie curva dell’aerogel e il Dr. Ioannis Michaloudis per l’ispirazione e il lavoro iniziale sul progetto di incisione, nonché per la fornitura dell’immagine Kouros e dell’aerogel cilindrico.
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).
