Æstetisk forbedret Silica Aerogel Via inkorporering af laser ætsning og farvestoffer
Summary
Denne protokol beskriver en metode til ætsning af tekst, mønstre og billeder på overfladen af silica aerogel monoliter i indfødt og farvet form og samle aerogels i mosaik design.
Abstract
En procedure for æstetisk forbedring af silica aerogel monoliter ved laser ætsning og inkorporering af farvestoffer er beskrevet i dette manuskript. Ved hjælp af en hurtig superkritisk ekstraktionsmetode kan stor silica aerogel monolit (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) fremstilles på ca. 10 timer. Farvestoffer, der er indarbejdet i forløberblandingen, resulterer i aerogeler med gul,pink og orange farvet. Tekst, mønstre og billeder kan ætses på overfladen (eller overfladerne) af aerogel monolit uden at beskadige bulkstrukturen. Lasergraveren kan bruges til at skære figurer fra aerogel og danne farverige mosaikker.
Introduction
Silica aerogel er et nanoporøst, højt overfladeareal, akustisk isolerende materiale med lav termisk ledningsevne, der kan bruges i en række applikationer fra opsamling af rumstøv til bygningsisoleringsmateriale1,2. Når silica aerogels fremstilles i monolitisk form, er de gennemsigtige og kan bruges til at fremstille meget isolerende vinduer3,4,5.
For nylig har vi vist, at det er muligt at ændre udseendet af en silica aerogel ved at ætse på eller skære gennem overfladen ved hjælp af et lasergraveringssystem6,7 uden at forårsage bulk strukturelle skader på aerogel. Dette kunne være nyttigt til at gøre æstetiske forbedringer, udskrivning lageroplysninger og bearbejdning aerogel monoliter i forskellige former. Femtosecond lasere har vist sig at arbejde for rå “mikro-bearbejdning” af aerogels8,9,10,11; Den nuværende protokol viser dog evnen til at ændre overfladen af aerogels med et simpelt lasergraveringssystem. Som følge heraf gælder denne protokol bredt for de kunstneriske og tekniske samfund.
Det er også muligt at inkorporere farvestoffer i aerogel kemisk prækursorblanding og derved lave farvedryperede aerogels med en række nuancer. Denne metode er blevet brugt til at fremstille kemiske sensorer12,13, for at forbedre Cerenkov detektion14, og af rent æstetiske årsager. Her demonstrerer vi brugen af farvestoffer og laser ætsning til at forberede æstetisk tiltalende aerogels.
I det følgende afsnit beskriver vi procedurer for fremstilling af store silica aerogel monoliter, ændring af monolitforberedelsesproceduren for at indarbejde farvestoffer, ætsning af tekst, mønstre og billeder på overfladen af en aerogelmonolit og skæreformer fra store farvede monoliter, der skal samles i mosaikker.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol viser, hvordan laser ætsning og inddragelse af farvestoffer kan anvendes til at forberede æstetisk tiltalende aerogel materialer.
At gøre store (10 cm x 11 cm x 1,5 cm) aerogel monoliter kræver korrekt skimmel forberedelse gennem slibning, rengøring og fedt ansøgning for at forhindre aerogel i at holde sig til formen og større revner i at danne. De dele af formen, der er i direkte kontakt med forløberopløsningen/snart dannes aerogel, er de mest kritiske. Reducere overfl…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende Union College Faculty Research Fund, Student Research Grant program, og sommeren bachelor forskningsprogram for økonomisk støtte til projektet. Forfatterne vil også gerne anerkende Joana Santos for udformningen af de tredelte skimmelsvamp, Chris Avanessian for SEM billeddannelse, Ronald Tocci for ætsning på den buede aerogel overflade, og Dr. Ioannis Michaloudis for inspiration og indledende arbejde på ætsning projektet samt for at give Kouros billede og cylindriske aerogel.
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. |
Referências
- 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).
